本文關(guān)鍵詞：納米半導(dǎo)體氧化物VOC氣體傳感器研究

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【摘要】：三維反蛋白石結(jié)構(gòu)(3DIO)是一種特殊有序結(jié)構(gòu)的多孔納米材料,具有獨特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值,近年來受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注,已成為材料領(lǐng)域的熱點研究方向之一。3DIO材料理論孔隙率高達74%,可以為氣敏傳感提供眾多的活性位點;同時,三維有序結(jié)構(gòu)有利于電子的傳輸�；�3DIO材料特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì),我們構(gòu)筑了一些新型的氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器件,系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)3DIO材料具有非常優(yōu)異的氣敏傳感性能,尤其是對揮發(fā)性有機化合物(VOC)目標(biāo)氣體的檢測可達10ppb的量級。例如:3DIO SnO_2材料氣敏元件對甲醛氣體表現(xiàn)出非常好的選擇性,同時具有極低的檢測下限(10 ppb);改進后的3DIO In_2O_3材料氣敏元件對丙酮氣體的檢測下限可達15 ppb,并且表現(xiàn)出非常好的抗?jié)穸雀蓴_性。VOC氣體不僅廣泛存在于我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境之中,而且存在于人體的呼出氣體之中。近年來,臨床研究發(fā)現(xiàn)某些人體呼出氣體中的VOC氣體能夠作為反映人體健康狀態(tài)的特征標(biāo)志物。例如:糖尿病患者呼出氣體中的丙酮氣體含量均大于1.8 ppm,而普通健康個體的則只有0.3-0.9 ppm。現(xiàn)有糖尿病的檢測方法普遍具有創(chuàng)傷性,因此開發(fā)一種新型的無創(chuàng)性、非侵入式的診斷方法已成為迫切的需要�？紤]到人體呼出氣體環(huán)境是一個高濕度的環(huán)境,我們在普通VOC氣體檢測的基礎(chǔ)之上,不僅對3DIO氣敏元件在高濕度環(huán)境下的氣敏性能進行了系統(tǒng)研究,而且通過去濕度使氣敏元件的敏感性能大幅提高。在此基礎(chǔ)上,我們進一步將3DIO材料氣敏元件應(yīng)用于實際的糖尿病臨床檢測,取得了良好的效果。本論文的創(chuàng)新成果如下:(1)制備了具有不同大孔尺寸(分別為140 nm、270 nm和400 nm)的3DIO SnO_2材料,并系統(tǒng)研究了不同大孔3DIO SnO_2材料的甲醛氣體氣敏傳感性能,發(fā)現(xiàn)3DIO SnO_2材料氣敏元件同參考樣品相比具有更優(yōu)異的傳感性能,孔尺寸的增大有助于靈敏度的提高。最優(yōu)氣敏元件對甲醛氣體的檢測下限可達10 ppb,遠遠低于國家要求的標(biāo)準(zhǔn)(60 ppb);對100 ppm甲醛氣體的靈敏度高達629,相較參比樣品約提升了35倍。(2)首次制備了具有via-holes結(jié)構(gòu)的3DIO In_2O_3-CuO材料,并系統(tǒng)研究了不同Cu/In摻雜對3DIO材料氣敏傳感性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),Cu O的摻雜使3DIO In_2O_3基氣敏元件的最佳工作溫度由400°C降至370°C,氣敏靈敏度約增大2倍。高濕度環(huán)境下氣敏傳感測試表明:相較空氣環(huán)境中的檢測,由于高濕度環(huán)境中濕氣的影響氣敏靈敏度有所提高。但是,高濕度環(huán)境下氣敏元件靈敏度與濃度的線性斜率與環(huán)境空氣中的線性斜率基本相同,說明此種結(jié)構(gòu)的氣敏元件具有在高濕度環(huán)境下有效檢測VOC氣體的能力。(3)制備了不同大孔尺寸具有via-holes結(jié)構(gòu)的3DIO In_2O_3材料,并在其表面修飾了不同量的Au NPs。研究結(jié)果表明,大孔尺寸為180 nm和420 nm的3DIO In_2O_3氣敏元件對5 ppm丙酮氣體的氣敏靈敏度分別為5.6和6.3,Au NPs修飾的氣敏元件的靈敏度均高于純的3DIO In_2O_3氣敏元件,最優(yōu)元件靈敏度高達42.4,并且元件最佳工作溫度隨Au NPs修飾量的增大逐步降低。臨床呼出氣體檢測表明,3DIO In_2O_3氣敏元件能夠有效地將健康個體與糖尿病患者區(qū)分開來。(4)制備了In_2O_3/Au NRs核殼納米材料與氣體傳感器。該類元件具有雙功能VOC傳感特性:在工作溫度250°C時可對丙酮氣體進行檢測,而在400°C時可對乙醇氣體進行探測。在各自最佳工作溫度下,對丙酮和乙醇氣體的實際檢測下限分別為100 ppb和50 ppb。臨床呼出氣體檢測結(jié)果表明,工作溫度250°C時,最優(yōu)氣敏元件能夠有效的區(qū)分開健康個體與糖尿病患者;400°C時,能夠有效記錄飲酒志愿者呼出氣體中的乙醇代謝程度。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212
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本文編號：1268880