本文選題：ZnO納米材料　切入點(diǎn)：氣敏性能　出處：《重慶大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：全球工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)在提升人們生產(chǎn)生活水平的同時,也對人類的生存環(huán)境造成了不同程度的破壞。其中,像工業(yè)廢氣、汽車尾氣等眾多氣體的排放和泄露使我們的生存環(huán)境充斥著大量有毒有害氣體,時刻危機(jī)人體健康和生產(chǎn)安全,因此,實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中有毒有害氣體的實(shí)時監(jiān)測尤為必要。誕生于上世紀(jì)60年代的半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器,因其靈敏度高、易于制備和低成本的優(yōu)勢,備受學(xué)者和業(yè)界關(guān)注,并在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位,器件性能得到逐步提升。然而,隨著近年來環(huán)境中有害氣體成分日益多樣化和復(fù)雜化,以及人們自我保護(hù)意識的提高,對器件性能提出了更高要求�；诖�,本論文以ZnO納米敏感材料為載體,通過對其結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控,以及探索與其他半導(dǎo)體金屬氧化物間的協(xié)同復(fù)合,試圖構(gòu)建材料特性、氣敏性能與傳感機(jī)制三者間的關(guān)聯(lián),尋求提升材料氣敏性能的有效方法,深化對內(nèi)在傳感機(jī)制的認(rèn)識,為后續(xù)更有針對性地進(jìn)行氣敏材料設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果概括如下:(1)由于一維納米結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積、與德拜長度相當(dāng)?shù)膹较虺叽?及一維載流子輸運(yùn)特性,使其在氣敏領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景�；诖�,我們選取ZnO納米線陣列作為研究起點(diǎn),利用聚焦離子束微納加工技術(shù)結(jié)合低溫水熱法,成功制備出尺寸、取向性、一致性和周期高度可控的ZnO納米線陣列。該項(xiàng)研究充分利用聚焦離子束荷能離子對襯底的刻蝕和離子注入效果,引起表面非晶化,誘導(dǎo)ZnO在生長孔內(nèi)隨機(jī)形核生長。研究發(fā)現(xiàn),模板中生長孔的深度、直徑和周期是決定ZnO納米線陣列最終形貌的重要因素。其中,由孔深帶來的物理約束使納米線生長空間不足,導(dǎo)致孔內(nèi)多根納米線充分融合生長是合成高質(zhì)量ZnO納米線陣列的關(guān)鍵。(2)通過精確控制前驅(qū)體濃度及相關(guān)生長條件,利用低溫水熱法合成了球狀、菜花狀和劍麻狀三種分級ZnO微結(jié)構(gòu)。針對球狀ZnO微結(jié)構(gòu)沿徑向由中心向外部呈現(xiàn)三層的獨(dú)特構(gòu)造,提出了一種基于濃度調(diào)控的形核生長機(jī)制。將三種ZnO微結(jié)構(gòu)制成旁熱式氣體傳感器測試對H2S氣體的傳感性能。結(jié)果顯示,三種微結(jié)構(gòu)對濃度低至50 ppb氣體的靈敏度均高于3.8,并可實(shí)現(xiàn)對較寬濃度范圍(50-5000ppb)氣體的探測。此外,三種微結(jié)構(gòu)靈敏度差異較大,其中球狀ZnO微結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。深入分析器件傳感層模型發(fā)現(xiàn),減小粒子間的有效接觸面積有助于提高傳感層的傳導(dǎo)功能,進(jìn)而提升器件的整體性能。(3)單一材料具有特定的局限性,提高器件的傳感性能還需借助材料間的協(xié)同復(fù)合。作為嘗試,我們采用水熱法、電沉積和熱氧化法三者相結(jié)合的途徑制備出ZnO-CuO核殼納米線和ZnO/CuO異質(zhì)納米線結(jié)構(gòu),并測試了對氧化性氣體NO_2的氣敏性能。結(jié)果顯示,與純ZnO納米線相比,ZnO-CuO核殼納米線的靈敏度顯著降低,且表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體行為,說明殼層起主導(dǎo)傳感作用;而ZnO/CuO異質(zhì)納米線的靈敏度大幅提高,并可探測低至250 ppb的NO_2氣體。深入分析發(fā)現(xiàn),pn結(jié)界面處電子的定向轉(zhuǎn)移和形成的pn結(jié)勢壘是提高ZnO/CuO異質(zhì)納米線氣敏性能的關(guān)鍵因素。(4)基于以上研究,我們在結(jié)構(gòu)、形貌及材料組合方面開展了進(jìn)一步探索。利用電紡工藝并結(jié)合熱分解法,我們構(gòu)造出含有局域nn同型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的ZnO納米粒子負(fù)載電紡SnO2納米管結(jié)構(gòu),并測試了兩種結(jié)構(gòu)對典型的氧化性氣體NO_2和還原性氣體H2、CO的氣敏性能。結(jié)果顯示,ZnO/SnO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)氣體傳感器對5 ppm NO_2的靈敏度高達(dá)30.84,是純SnO2納米管靈敏度(5.09)的六倍,相反地,該異質(zhì)結(jié)構(gòu)對50 ppm H2的靈敏度卻僅有1.44,接近SnO2納米管靈敏度(6.89)的五分之一。結(jié)果表明,ZnO/SnO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯著提高了對氧化性氣體的靈敏度,卻降低了對還原性氣體的靈敏度,具有較高的選擇性。分析認(rèn)為,異質(zhì)結(jié)使電子定向輸運(yùn)至SnO2納米管,增強(qiáng)了對氧化性氣體的吸附效果,同時,局域異質(zhì)結(jié)改變了SnO2納米管內(nèi)的同質(zhì)接觸勢壘,使其對氧化性氣體較敏感,從而提高了材料對氧化性氣體的選擇性。本文通過探索提升ZnO納米材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏性能的有效方法,針對典型結(jié)構(gòu)初步構(gòu)建了ZnO納米材料“材料特性——傳感機(jī)制——?dú)饷粜阅堋比唛g的關(guān)聯(lián),為后續(xù)更有針對性地進(jìn)行氣敏材料設(shè)計(jì)提供了一定借鑒。
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【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ132.41;TP212

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 傅盼盼;楊志學(xué);;金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器[J];化工時刊;2013年03期

2 楊拴昌;;解讀智能制造裝備“十二五”發(fā)展路線圖[J];電器工業(yè);2012年05期

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本文編號：1628803