本文關(guān)鍵詞：基于金屬氧化物和金屬硫化物納米材料的氣體傳感器研究　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：半導(dǎo)體型氣體傳感器因其生產(chǎn)成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品便攜和可大規(guī)模制備等突出優(yōu)點(diǎn),成為了當(dāng)前熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。近年來(lái),在納米材料研究方面所取得的突出進(jìn)展使得高性能氣體傳感器的實(shí)現(xiàn)成為了可能,并且部分器件已經(jīng)在氣體檢測(cè)方面達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用的水平。但同時(shí),基于納米材料的半導(dǎo)體型氣體傳感器還面臨著響應(yīng)度較低、選擇性差和響應(yīng)恢復(fù)速度慢等問(wèn)題。如何進(jìn)一步提高傳感器的氣敏性能,解決生產(chǎn)和生活中的實(shí)際探測(cè)需求,是科研工作者接下來(lái)的研究重點(diǎn)。在基于納米材料的半導(dǎo)體型氣體傳感器的研究方面,我們?nèi)杂泻荛L(zhǎng)一段路要走。本論文的研究?jī)?nèi)容主要集中在以下兩個(gè)方面:第一,改善傳統(tǒng)金屬氧化物的氣敏性能。目前,盡管用于氣體傳感的半導(dǎo)體金屬氧化物的種類很多,但由于材料制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)毒和氣敏穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),Fe_2O_3和TiO_2等傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體仍然是難以被取代的氣敏材料。但在實(shí)際使用中,基于Fe_2O_3和TiO_2等幾種傳統(tǒng)金屬氧化物的氣體傳感器件對(duì)于待測(cè)氣體的響應(yīng)度和選擇性等性能還不理想,難以滿足實(shí)際的需求。若要進(jìn)一步提高金屬氧化物基氣體傳感器的性能,我們可以從提高敏感材料本身的利用率和加強(qiáng)材料與氣體之間的反應(yīng)能力兩個(gè)角度入手,進(jìn)行相關(guān)的理論研究和實(shí)驗(yàn)探索。具體到方法上,本論文主要采用構(gòu)筑特殊微觀納米結(jié)構(gòu)和采用過(guò)渡金屬元素對(duì)金屬氧化物材料進(jìn)行摻雜改性兩種方式來(lái)提高材料的氣體敏感特性。(1)構(gòu)筑特殊微觀納米結(jié)構(gòu)。本文采用靜電紡絲法制備了致密?-/α-Fe_2O_3納米帶和納米顆粒構(gòu)筑的?-/α-Fe_2O_3納米帶。不同于前者致密的形貌,后者是由許多更小的零維納米粒子組裝而成的分等級(jí)結(jié)構(gòu),粒子與粒子之間有很多孔隙。BET分析也顯示,分等級(jí)結(jié)構(gòu)?-/α-Fe_2O_3納米帶中形成了大量的孔徑在7 nm以下的孔隙,所制成的傳感器對(duì)100 ppm丙酮的響應(yīng)度(S=36.9)是致密?-/α-Fe_2O_3納米帶傳感器的5倍左右。分析認(rèn)為,分級(jí)結(jié)構(gòu)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn):在保持了材料本身一維形貌的同時(shí),粒子與粒子之間形成了有利于氣體擴(kuò)散的孔隙“通道”,使氣體分子在材料中能更好地進(jìn)行擴(kuò)散,同時(shí)有利于氣體的吸附,實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙酮?dú)怏w更高的響應(yīng)度。(2)采用過(guò)渡金屬元素對(duì)金屬氧化物材料進(jìn)行摻雜改性。研究表明,純的金屬氧化物的氣敏性能會(huì)受到本身固有特性的極大限制。要想提高金屬氧化物材料的敏感性能,我們可以對(duì)材料進(jìn)行過(guò)渡元素?fù)诫s,利用摻雜元素的催化作用和向材料中引入缺陷態(tài)來(lái)提高其傳感性能。本文采用無(wú)需模板輔助的靜電噴射法制備了過(guò)渡元素(co和ni)摻雜的tio2納米碗,探索了摻雜對(duì)tio2納米碗材料氣敏性能的改善作用。首先,采用靜電噴射法制備了純的和不同ni摻雜比例(2mol%、4mol%和6mol%)的碗狀tio2納米結(jié)構(gòu)。其中,2mol%的ni摻雜對(duì)tio2納米碗氣敏性能的改善作用最為明顯。純tio2器件最大響應(yīng)度的工作溫度為324?c,2mol%ni摻雜tio2器件的最佳工作溫度小幅度地降低到302?c。后者對(duì)100ppm二甲苯的響應(yīng)度為4.4,其數(shù)值是純tio2器件的2倍多。ni摻雜提高tio2納米碗對(duì)二甲苯敏感特性的原因主要主要有:ni取代晶格ti形成固溶體時(shí)產(chǎn)生的空穴、板鈦礦nitio3相出現(xiàn)引入的雜質(zhì)能級(jí)和表面缺陷。其次,采用靜電噴射法制備了純的和不同co摻雜比例(2mol%和4mol%)的tio2納米碗。在344?c的最佳工作溫度下,2mol%co摻雜的tio2基氣體傳感器對(duì)對(duì)100ppm二甲苯的響應(yīng)度為6.3,其數(shù)值是純tio2器件最大響應(yīng)度(s=2.3)的2倍多。分析材料的氣敏機(jī)理,我們認(rèn)為2mol%co摻雜能提高tio2對(duì)二甲苯氣體的響應(yīng)度的原因有三點(diǎn):co摻入tio2晶格并替代ti原子時(shí)形成的空穴、板鈦礦cotio3相出現(xiàn)產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)和表面缺陷。要特別提到的是,在一般情況下,要制備中空形貌的金屬氧化物半導(dǎo)體材料,需要使用模板劑。而本論文在沒(méi)有模板劑的情況下,采用了靜電噴射法直接制備了具有中空碗狀結(jié)構(gòu)的tio2納米材料。這種無(wú)模板噴射法為低成本、可大面積生產(chǎn)的中空氣敏材料提供了相對(duì)簡(jiǎn)單的制備途徑,對(duì)于氣體傳感器的大規(guī)模制備具有積極意義。第二,探索非常規(guī)半導(dǎo)體氣體敏感材料。目前,半導(dǎo)體型氣體傳感器的敏感材料主要還是采用金屬氧化物。作為重要的半導(dǎo)體材料,ii vi族金屬硫化物如硫化鎘和硫化鋅具有廉價(jià)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和易于制備等優(yōu)點(diǎn),在光電探測(cè)、光波導(dǎo)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、太陽(yáng)能電池和光催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。cds和zns擁有同傳統(tǒng)氣敏材料zno相同的晶體結(jié)構(gòu)和相似的物理化學(xué)性質(zhì)。zno納米材料在氣體傳感領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用,而有關(guān)cds和zns氣敏性能研究的文獻(xiàn)報(bào)道卻非常少。因此,我們可以嘗試研究分析II VI族金屬硫化物納米材料在氣敏探測(cè)方面的應(yīng)用,為性能出色的氣體傳感器件的實(shí)現(xiàn)提供更多可能。(1)實(shí)驗(yàn)采用溶劑熱法制備了單晶CdS納米線,并將其首次應(yīng)用于旁熱式半導(dǎo)體型氣體傳感器。CdS納米線基氣體傳感器最佳工作溫度較低,為206°C。器件在取得對(duì)100 ppm乙醇表現(xiàn)出較高的響應(yīng)度(S=14.9)的同時(shí),還具有超短的響應(yīng)時(shí)間(0.4s)和恢復(fù)時(shí)間(0.2 s),其響應(yīng)速度和恢復(fù)速度遠(yuǎn)快于大多數(shù)金屬氧化物半導(dǎo)體基傳感器。CdS納米線的優(yōu)異氣敏特性歸可因于它良好的單晶結(jié)構(gòu)和S不同于O的電負(fù)性。(2)實(shí)驗(yàn)采用一步溶劑熱法制備了三元金屬硫化物Zn1-xCdxS(x=0~1)納米棒,并將其首次應(yīng)用于氣敏傳感。實(shí)驗(yàn)研究了陽(yáng)離子組分比對(duì)材料乙醇?xì)饷粜阅艿恼{(diào)控作用,在x=0.4時(shí),材料對(duì)20 ppm乙醇的響應(yīng)度最高,達(dá)S=12.8。文章從Zn-S和Cd-S離子鍵能不同的角度分析了陽(yáng)離子的調(diào)控作用。實(shí)驗(yàn)證明,改變?nèi)饘倭蚧锏脑鼗瘜W(xué)計(jì)量比,可以有效調(diào)節(jié)和改善材料的氣敏性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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1 張慧如;;“傳感器”歸類新規(guī)[J];中國(guó)海關(guān);2012年11期

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本文編號(hào)：1419658