本文關(guān)鍵詞：基于NiO納米材料的氣體傳感器研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,大氣環(huán)境和微環(huán)境空氣監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)/汽車排放監(jiān)控、煤礦/家庭/食品安全、醫(yī)療診斷及軍事等領(lǐng)域的迫切需求,使得氣體傳感器的研究受到了廣泛關(guān)注。在基于不同感知機(jī)理的傳感器中,金屬氧化物半導(dǎo)體電阻型氣體傳感器因具有低成本、高靈敏度和操作簡易等優(yōu)點,一直是本領(lǐng)域的研究熱點,在歷屆國際化學(xué)傳感器大會(IMCS)上也是最受關(guān)注的專題。眾所周知,優(yōu)異的敏感材料是構(gòu)筑高性能氣體傳感器的基礎(chǔ),傳感器的氣敏特性與敏感材料的形貌、微觀結(jié)構(gòu)以及組分密切相關(guān)。因此,探索和開發(fā)具有特殊結(jié)構(gòu)的新型敏感材料對于提升氣體傳感器的性能具有重要的科學(xué)意義。氧化鎳(Ni O)作為重要的P型金屬氧化物半導(dǎo)體,具有優(yōu)異的化學(xué)和電學(xué)特性。雖然作為敏感材料,其靈敏度遠(yuǎn)低于典型的N型金屬氧化物半導(dǎo)體,諸如Sn O2、In2O3、Zn O和WO3等。但是,其具有較強(qiáng)的催化功能,能夠有效地氧化揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)氣體。所以,Ni O可以作為高效的敏感材料來構(gòu)筑高性能VOCs氣體傳感器。本論文依據(jù)Ni O的自身優(yōu)勢,在設(shè)計和制備幾種形貌新穎的Ni O納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過原位摻雜和表面修飾技術(shù)對Ni O進(jìn)行表/界面調(diào)控,以實現(xiàn)對VOCs氣體的高效識別。主要研究內(nèi)容包括:結(jié)合分等級結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和摻雜的功能改性,首先制備出了幾種不同形貌的Ni O分等級結(jié)構(gòu)。為了提升其敏感特性,采用異價陽離子原位摻雜技術(shù)獲得了W摻雜Ni O花狀微球和Al摻雜Ni O納米棒花分等級結(jié)構(gòu)。研究兩種摻雜劑的摻雜量對Ni O敏感特性的影響,從而確定最佳摻雜量。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),基于4.0 at%W摻雜Ni O花狀微球的傳感器表現(xiàn)出最佳的氣敏特性,其對丙酮具有高的響應(yīng)和好的選擇性,檢測下限可達(dá)100 ppb。而基于2.15 at%Al摻雜Ni O納米棒花的傳感器則對乙醇表現(xiàn)出增強(qiáng)的敏感特性。敏感性能的提升主要歸因于摻雜所導(dǎo)致的載流子(空穴)濃度的減少以及缺陷氧和化學(xué)吸附氧數(shù)目的增加。依據(jù)目標(biāo)氣體和敏感材料的相互作用機(jī)制,選擇α-Fe_2O_3構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合敏感材料(α-Fe_2O_3/Ni O),利用其獨特的界面效應(yīng)和異于單組分的特殊性能,實現(xiàn)了敏感性能的優(yōu)化。我們采用兩步液相合成法,首先以水熱法獲得的分等級Ni O花狀微球和納米管作為基體,然后在其表面生長α-Fe_2O_3納米棒,就獲得了不同形貌的α-Fe_2O_3/Ni O異質(zhì)結(jié)構(gòu)。敏感特性測試結(jié)果表明,與單一Ni O相比,構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)構(gòu)α-Fe_2O_3/Ni O花狀微球具有明顯增強(qiáng)的氣敏特性,在300°C下傳感器對100 ppm甲苯的響應(yīng)值約為18.7,是單一Ni O的13倍。而基于α-Fe_2O_3/Ni O納米管的氣體傳感器則具有比α-Fe_2O_3/Ni O花狀微球更佳的氣敏特性,傳感器對甲苯的選擇性和響應(yīng)均得到了增強(qiáng),尤其在275°C下對5 ppm甲苯的響應(yīng)值約為8.8,是單一Ni O納米管的7.8倍,檢測下限也達(dá)到了ppb量級。在異質(zhì)結(jié)處,由于功函數(shù)的差異所導(dǎo)致的能帶彎曲,有利于發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移,同時也強(qiáng)化了空間電荷層,從而增強(qiáng)了復(fù)合材料對待測氣體的響應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：NiO W/Al摻雜 α-Fe_2O_3/NiO異質(zhì)結(jié)構(gòu) 氣體傳感器
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-24
• 1.1 引言11
• 1.2 氣體傳感器11-12
• 1.2.1 氣體傳感器概述11-12
• 1.2.2 氣體傳感器分類12
• 1.3 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器12-19
• 1.3.1 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器概述12-14
• 1.3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的性能指標(biāo)14-16
• 1.3.3 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的敏感機(jī)理16-19
• 1.4 NiO納米材料的研究19-23
• 1.4.1 NiO納米材料概述19-20
• 1.4.2 NiO基氣體傳感器的研究現(xiàn)狀20-23
• 1.5 本論文的主要內(nèi)容23-24
• 第二章 異價陽離子摻雜對NiO敏感材料氣敏特性的影響24-46
• 2.1 引言24
• 2.2 W摻雜NiO分等級結(jié)構(gòu)花狀微球的制備及氣敏特性研究24-35
• 2.2.1 實驗部分24-26
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)與形貌特性26-29
• 2.2.3 氣敏特性測試結(jié)果29-33
• 2.2.4 W摻雜NiO增感機(jī)理的研究33-35
• 2.3 Al摻雜NiO納米棒花的制備及氣敏特性研究35-44
• 2.3.1 實驗部分35-36
• 2.3.2 結(jié)構(gòu)和形貌特性36-39
• 2.3.3 氣敏特性測試結(jié)果39-41
• 2.3.4 Al摻雜NiO增感機(jī)理的研究41-44
• 2.4 總結(jié)44-46
• 第三章 α-Fe_2O_3/NiO異質(zhì)結(jié)構(gòu)敏感材料的設(shè)計及氣敏特性研究46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 基于 α-Fe_2O_3/NiO花狀微球異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣體傳感器研究46-56
• 3.2.1 實驗部分46-47
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)和形貌特性47-56
• 3.3 基于 α-Fe_2O_3/NiO納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣體傳感器研究56-66
• 3.3.1 實驗部分56-57
• 3.3.2 結(jié)構(gòu)和形貌特性57-60
• 3.3.3 氣敏性能測試結(jié)果60-63
• 3.3.4 α-Fe_2O_3/NiO納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)的增感機(jī)理研究63-66
• 3.4 小結(jié)66-68
• 第四章 總結(jié)68-70
• 參考文獻(xiàn)70-80
• 作者簡介及在學(xué)期間所取得的科研成果80-83
• 致謝83

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