本論文通過一步靜電紡絲技術(shù)結(jié)合后續(xù)的煅燒過程,合成了一系列形貌特殊、尺寸可控、性能優(yōu)異的金屬氧化物分級結(jié)構(gòu)及其復(fù)合材料,包括表面原位生長顆粒的SnO₂基纖維分級結(jié)構(gòu)、表面原位生長顆粒的WO₃/ZnWO₄纖維分級結(jié)構(gòu)、表面原位生長八面體狀顆粒的In₂O₃纖維分級結(jié)構(gòu)、以及由單晶八面體顆粒和多晶纖維組成的In₂O₃分級結(jié)構(gòu),用于乙醇、甲醛（HCHO）和三乙胺（TEA）等氣敏傳感研究。本論文所得材料展示出高選擇性、高響應(yīng)值、高穩(wěn)定性的氣敏性能,在化妝品質(zhì)量評估、室內(nèi)空氣凈化檢測以及食品安全儲存等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。本論文的具體研究內(nèi)容如下:1、通過一步靜電紡絲技術(shù)結(jié)合后續(xù)的煅燒過程,制備了表面原位生長顆粒的SnO₂纖維分級結(jié)構(gòu)。通過引入Zn組分進(jìn)一步優(yōu)化分級結(jié)構(gòu)的形態(tài)和相組成,合成了SnO₂/ZnO分級結(jié)構(gòu)。氣敏性能測試表明,與SnO₂多孔纖維（13.2）和SnO

【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：113 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）n型和（b）p型金屬氧化物半導(dǎo)體的表面空間電荷模型[4]

靜電紡絲技術(shù)制備金屬氧化物分級結(jié)構(gòu)及其氣敏性能研究4成空穴累積層，如圖1.1（b）所示[12]。由于n型和p型氧化物半導(dǎo)體表面中參與反應(yīng)的主導(dǎo)電荷載體不同，顯示出不同的氣體傳感行為，這些行為已在表1.1中列出。以n型半導(dǎo)體SnO2為例。在空氣中，SnO2價帶中的電子被氧分子捕獲并電離，從而形成電子耗盡層，材料具有較高的電阻。如果在這種情況下引入一種還原性氣體，則電離的氧物種將與氣體發(fā)生反應(yīng)，被捕獲的電子將釋放回去，從而導(dǎo)致材料電阻降低。當(dāng)再次接觸到氧氣分子時，該材料將被進(jìn)一步氧化。電子耗盡層的厚度以及材料的電阻又重新增加。1.1.2.2晶粒界面勢壘模型圖1.2n型金屬氧化物半導(dǎo)體的晶界勢壘示意圖[13]氣敏傳感機(jī)理可對應(yīng)于同質(zhì)結(jié)所表現(xiàn)出的晶界依賴性現(xiàn)象，如圖1.2所示。兩個相鄰納米顆粒之間存在許多同質(zhì)結(jié)，在空氣中，氧分子通過納米顆粒擴(kuò)散并完全覆蓋晶界。吸附在納米顆粒表面上的氧分子從納米顆粒中提取電子，并在相鄰的納米顆粒之間形成勢壘[14]。在每個晶界處建立的勢壘限制了電子通過納米顆粒的流動，潛在勢壘的高度在不同的氣體環(huán)境中發(fā)生變化。晶界勢壘越大，材料的電阻越大。如果引入還原性氣體（如HCHO），這些氣體分子將與吸附的氧物種發(fā)生反應(yīng)，并且被吸附氧捕獲的電子重新注入導(dǎo)帶，能夠降低勢壘的高度，從而導(dǎo)致氣敏材料的電阻顯著降低，根據(jù)電阻的變化可檢測氣體的成分及濃度等。對于P型半導(dǎo)體的氣敏傳感機(jī)理與n型恰好相反。除了以上兩種常用的模型，金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感機(jī)理模型還有多種，如頸狀模型、表面缺陷模型等。分析金屬氧化物傳感機(jī)理時，不能僅僅局限于一種模型，應(yīng)綜合考慮。

濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文51.1.3金屬氧化物氣敏材料的氣敏性能增強(qiáng)方法圖1.3金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏性能的影響因素[15]氧化物半導(dǎo)體氣敏性能主要受識別功能、轉(zhuǎn)換功能和氣體利用率的影響，如圖1.3所示。其中，識別功能涉及氧化物表面與目標(biāo)氣體相互作用的能力，通常與氧化物本身的表面氧的化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，如表面的酸堿性、材料的氧化還原特性和比表面積等[16]；轉(zhuǎn)換功能指的是所用氣敏材料將待測氣體的濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘柕哪芰�，通常與氣敏材料的晶粒尺寸、結(jié)晶性、載流子的遷移率密切相關(guān)[15]；氣體利用率通常與氣敏材料的多孔性、材料的分散性密切相關(guān)。在上述傳感理論的指引下，通常采用以下幾種方法改善氧化物半導(dǎo)體材料的氣敏性能：（1）氣敏材料的合成設(shè)計(jì)方面圖1.4分級SnO2納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)及氣敏響應(yīng)[17]科研人員專注于構(gòu)筑獨(dú)特形貌、豐富的表面態(tài)及優(yōu)異電子傳輸?shù)慕饘傺趸餁饷舨牧�。如圖1.4所示，Guo等人通過簡便的一步水熱法合成了組裝有超薄梭形納米片的SnO2分級結(jié)構(gòu)，其對100ppm丙酮的響應(yīng)最高可達(dá)175，氣敏增強(qiáng)機(jī)理可歸因于在熱解重結(jié)晶過程中，錐形分級納米結(jié)構(gòu)形成了更活躍的表面缺陷。這種表面工程策略可以擴(kuò)展到

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]基于一維氧化物半導(dǎo)體的氣體傳感器研究[D]. 郭蘭蘭.吉林大學(xué) 2019
[2]金屬氧化物半導(dǎo)體納米材料的制備及其氣敏傳感性能的研究[D]. 張子悅.浙江大學(xué) 2018

碩士論文
[1]靜電紡絲法制備一維金屬復(fù)合氧化物納米材料及其氣敏性研究[D]. 干正強(qiáng).安徽工業(yè)大學(xué) 2018
[2]In2O3基一維納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其器件應(yīng)用[D]. 廉紅偉.吉林大學(xué) 2018



本文編號：3261634