【摘要】：ZnO是一種禁帶寬度為3.37eV的n型半導(dǎo)體氧化物，具有良好的電子遷移率和化學(xué)穩(wěn)定性。近年來(lái)，基于ZnO氣體傳感器的研究引起了廣大研究者的關(guān)注，并且通過(guò)貴金屬元素?fù)诫s改善傳感器的氣敏特性具有極其重要的作用，成為ZnO氣體傳感器研究的重點(diǎn)。 本文采用水熱法制備ZnO微結(jié)構(gòu)，并通過(guò)貴金屬氧化物進(jìn)行修飾改性進(jìn)而改善ZnO的氣敏特性。利用SEM、EDS、XRD和XPS對(duì)材料的形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，采用CGS-1TP進(jìn)行氣敏性能測(cè)試，通過(guò)分析得出以下結(jié)論： （1）利用水熱法合成了棒狀ZnO微結(jié)構(gòu)，研究表明該ZnO為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。氣敏測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器的最佳工作電壓為5V，200ppm甲烷的靈敏度為55.4%，最低檢測(cè)極限為1ppm。 （2）不同濃度（0.1，0.25，0.5和1.0wt%）的Pd元素對(duì)棒狀ZnO微結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜，表征結(jié)果顯示，其微結(jié)構(gòu)的形貌沒(méi)有明顯的變化。無(wú)水乙醇?xì)饷魷y(cè)試結(jié)果表明：摻雜量為0.25wt%的傳感器的氣敏特性最佳，其在工作溫度和響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（分別為325℃和10/7s）方面明顯優(yōu)于純ZnO氣體傳感器（分別為400℃和17/24s）。 （3）采用二步水熱合成法實(shí)現(xiàn)了不同濃度（0，0.5，1.0，3.0和5.0wt%）Co元素對(duì)花狀ZnO微結(jié)構(gòu)的摻雜，表征結(jié)果顯示，，摻雜后其形貌發(fā)生了明顯的變化。氣敏測(cè)試結(jié)果表明：Co摻雜的ZnO傳感器相較于CO和H2對(duì)甲烷具有最佳的選擇性，當(dāng)Co的含量為1.0wt%時(shí)，器件的最佳工作溫度為140℃，對(duì)甲烷的最高靈敏度為3.55，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間分別為19s和27s，且其檢測(cè)下限達(dá)到了0.05ppm。 （4）分析傳感器的氣敏機(jī)理，可知：異質(zhì)結(jié)的形成能夠促使氧分子的解離，加速了載流子的移動(dòng)速度，拓寬耗盡層的寬度，增強(qiáng)元件的氣敏性能，只有合適濃度的貴金屬摻雜才能最大限度的優(yōu)化氣體傳感器的特性。
【圖文】：

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 ZnO 的特性及制備方法.1 ZnO 物理性質(zhì)氧化鋅（ZnO）是由Ⅱ族元素 Zn 和Ⅵ族元素 O 化合而成的直接帶隙族 n 型半導(dǎo)體，室溫下的禁帶寬度為 3.37 eV，激子結(jié)合能高達(dá) 60 meV，且化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于壓電敏感材料、氣體敏感材料、濕度敏感材料、太陽(yáng)能電池和紫外器等領(lǐng)域，是一種無(wú)毒、價(jià)格低廉、很有應(yīng)用前景的半導(dǎo)體金屬氧化物敏感材料。，人們已經(jīng)研制出了不同維數(shù)、不同形貌的 ZnO 結(jié)構(gòu)，如圖 1-1，納米線[6]、納米[7]、納米彈簧[8]、納米片[9]、納米球[10]、納米花[11]等，不同的形貌往往會(huì)影響其性優(yōu)異性，因此，其制備方法和性能分析成為了人們研究的熱點(diǎn)。

a b 0.3249nm， c 0.5206nm[13]。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，每個(gè)鋅原子與 4 個(gè)氧原子構(gòu)成了鋅氧四面體，ZnO 特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其形成了正負(fù)電荷分離的極化晶面，即帶荷鋅離子占據(jù)（0001）正極性面，帶負(fù)電荷的氧離子占據(jù)（ 000 1）負(fù)極性面，在個(gè)極性面的共同作用下使得制備的 ZnO 出現(xiàn)沿 c 軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的現(xiàn)象[14]。表 1-2 ZnO 的基本物理特性Table 1-2 Basic physical properties of ZnO物理屬性 參數(shù)值 物理屬性 參數(shù)值晶格常數(shù) (a，c/nm) 0.325，0.520 介電常數(shù) (ε) 8.656禁帶寬度 (Eg/eV) 3.37 本證載流子濃度 (n /cm-3) <106激子束縛能 (E/meV) 60 電子有效質(zhì)量 (me*/ m0) 0.24密度 (ρ/(g·cm-3) 5.606 空穴有效質(zhì)量 (mh*/ m0) 0.29熔點(diǎn) (t/℃) 1975 電阻率 (ρ/Ω·cm) 1012
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN304.21

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2570233