本文關(guān)鍵詞：石墨烯—金屬氧化物氣敏材料的制備與特性研究

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【摘要】：作為一種新型氣敏材料,石墨烯用于氣體分子檢測時具有良好的電學特性、較高的靈敏度和較低的檢測極限等優(yōu)點,將石墨烯與其他功能性氣敏材料復(fù)合可進一步提高石墨烯基氣體傳感器的敏感性能。本文以微叉指電極為傳感器件,將還原氧化石墨烯與金屬氧化物納米材料復(fù)合形成電阻型復(fù)合膜氨氣傳感器;對所制備的復(fù)合膜進行了表征與分析,系統(tǒng)測試了氨氣傳感器的敏感特性,并建立了氣敏機理模型。論文主要包括以下兩方面工作:1.將氣噴工藝與熱還原工藝相結(jié)合,制備了氧化鋅/還原氧化石墨烯(ZnO/rGO)分層薄膜,研究了其室溫氨敏特性,并優(yōu)化了氧化石墨烯的噴涂量。紫外—可見光吸收光譜和X射線光電子能譜(XPS)分析表明氧化石墨烯(GO)被部分還原為還原氧化石墨烯;氣敏特性結(jié)果表明ZnO/rGO分層薄膜相較單一rGO薄膜具有更高的靈敏度和更快的響應(yīng)—恢復(fù)時間;當GO噴涂量為1.5 ml時,ZnO/rGO分層薄膜傳感器具有最優(yōu)的敏感特性,該傳感器同時具有良好的可逆性、重復(fù)性和選擇性。建立了ZnO/rGO分層薄膜傳感器P-N異質(zhì)結(jié)氣敏機理模型,分析認為ZnO納米顆粒的支撐作用和ZnO/rGO界面間的P-N異質(zhì)結(jié)有利于氣敏特性的提高。2.以四異丙醇鈦和氧化石墨烯為原料,通過水熱法制備了二氧化鈦—還原氧化石墨烯(TiO2-rGO)復(fù)合氣敏材料;采用噴涂工藝在叉指電極上制備了復(fù)合敏感薄膜,并對其進行了初步表征與氣敏特性分析。紫外—可見光吸收光譜和紅外光譜分析表明TiO2與rGO間具有顯著的界面相互作用;形貌表征表明所生成的TiO2呈納米顆粒狀。氣敏特性測試結(jié)果表明:與單一rGO膜相比,復(fù)合薄膜靈敏度更好,且恢復(fù)性和重復(fù)性更好。該傳感器對10-50 ppm氨氣同時具有良好的線性特性及選擇性。初步建立了TiO2-rGO復(fù)合薄膜的氨敏響應(yīng)機理模型,分析認為TiO2在氣敏響應(yīng)過程中具有一定的催化作用,有效降低了氨分子與石墨烯之間的能量勢壘,從而提高了單一石墨烯材料的氣敏性能。
【關(guān)鍵詞】：NH3 石墨烯 金屬氧化物 熱還原 傳感器
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB381;TP212
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 氣體傳感器簡介12-15
• 1.2.1 檢測原理與響應(yīng)過程12-13
• 1.2.2 氣體傳感器的分類13-14
• 1.2.3 氣體傳感器的發(fā)展趨勢14-15
• 1.3 石墨烯概述15-19
• 1.3.1 石墨烯的概念15-16
• 1.3.2 石墨烯材料的制備16-17
• 1.3.3 石墨烯的特性17-18
• 1.3.4 基于石墨烯及其衍生物的氣體傳感器研究動態(tài)18-19
• 1.4 石墨烯—金屬氧化物型氣體傳感器的研究動態(tài)19-21
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容及意義21-23
• 第二章 基本原理與方法23-32
• 2.1 氣體傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理23-24
• 2.1.1 氣體傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計23
• 2.1.2 氣體傳感器工作原理23-24
• 2.2 敏感薄膜材料的選擇24-27
• 2.2.1 引言24
• 2.2.2 氧化鋅24-25
• 2.2.3 二氧化鈦25-26
• 2.2.4 石墨烯26-27
• 2.3 氣敏特性測試與薄膜表征27-31
• 2.3.1 主要特性參數(shù)27-28
• 2.3.2 特性測試裝置28-29
• 2.3.3 薄膜表征方法29-31
• 2.3.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）29
• 2.3.3.2 紫外—可見分光光度法（UV-Vis）29-30
• 2.3.3.3 拉曼光譜分析法（RAMAN）30
• 2.3.3.4 X射線衍射分析法（XRD）30
• 2.3.3.5 電流—電壓分析法（I-V）30
• 2.3.3.6 紅外吸收光譜分析法（IR）30-31
• 2.3.3.7 X射線光電子能譜分析法（XPS）31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 第三章 ZnO/rGO分層薄膜NH3傳感器的制備及研究32-45
• 3.1 引言32-33
• 3.2 ZnO/rGO分層納米薄膜的制備與表征33-40
• 3.2.1 實驗原料與儀器33
• 3.2.2 ZnO/rGO分層納米薄膜的制備33-34
• 3.2.2.1 叉指電極預(yù)處理33
• 3.2.2.2 ZnO/rGO分層納米薄膜的制備33-34
• 3.2.3 ZnO/rGO分層納米薄膜的表征與分析34-40
• 3.2.3.1 ZnO/rGO分層納米薄膜的紫外——可見光譜分析34-35
• 3.2.3.2 ZnO/rGO分層納米薄膜的掃描電鏡分析35
• 3.2.3.3 ZnO/rGO分層納米薄膜的I-V特性分析35-36
• 3.2.3.4 ZnO/rGO分層納米薄膜的拉曼光譜分析36-37
• 3.2.3.5 ZnO/rGO分層納米薄膜的X射線衍射分析（XRD）37-38
• 3.2.3.6 ZnO/rGO分層納米薄膜的紅外吸收光譜分析38
• 3.2.3.7 ZnO/rGO分層納米薄膜的X射線光電子能譜分析（XPS）38-40
• 3.3 分層薄膜NH3敏感特性研究與機理分析40-44
• 3.3.1 不同氧化石墨烯量對NH3敏感特性的影響40-41
• 3.3.2 優(yōu)化的傳感器氣敏性能測試41-43
• 3.3.3 氣敏機理分析43-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第四章 TiO_2-rGO復(fù)合材料傳感器的研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 TiO_2-rGO復(fù)合納米薄膜的制備與表征45-46
• 4.2.1 實驗原料與儀器45-46
• 4.2.2 TiO_2-rGO復(fù)合納米薄膜的制備46
• 4.2.2.1 叉指電極預(yù)處理46
• 4.2.2.2 TiO_2-rGO復(fù)合納米薄膜的制備46
• 4.3 TiO_2-rGO復(fù)合納米薄膜的表征與分析46-50
• 4.3.1 表面形貌分析46-48
• 4.3.2 紅外光譜分析48-49
• 4.3.3 紫外—可見光譜分析49
• 4.3.4 拉曼光譜分析49-50
• 4.4 TiO_2-rGO復(fù)合納米薄膜傳感器氣敏性能測試50-53
• 4.4.1 復(fù)合薄膜與單一薄膜傳感器的性能對比研究50-51
• 4.4.2 復(fù)合薄膜對不同濃度氨氣的響應(yīng)特性51-53
• 4.4.3 選擇性測試53
• 4.5 氣敏機理分析53-54
• 4.6 本章小結(jié)54-55
• 第五章 結(jié)論與展望55-57
• 5.1 結(jié)論55-56
• 5.2 展望56-57
• 致謝57-58
• 參考文獻58-62
• 攻碩期間取得的研究成果62-63

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