本文關(guān)鍵詞：金屬摻雜氧化鋅基乙炔氣體傳感器的檢測(cè)特性及氣敏機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《重慶大學(xué)》 2015年

金屬摻雜氧化鋅基乙炔氣體傳感器的檢測(cè)特性及氣敏機(jī)理研究

高拓宇  

【摘要】：電力變壓器油中溶解特征氣體在線分析是目前在線診斷油浸式電力變壓器早期潛伏性故障最有效的方法之一,而氣體傳感檢測(cè)技術(shù)是油中溶解氣體在線分析的核心,直接影響在線診斷的正確性。目前應(yīng)用的氣體傳感器由于存在檢測(cè)靈敏度低、易老化或中毒等特征,已經(jīng)制約了氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的良好推廣應(yīng)用。持續(xù)深入研究氣體傳感技術(shù)并研制新型氣體檢測(cè)傳感器對(duì)提升變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)水平具有積極的意義。氧化鋅(Zn O)作為開(kāi)發(fā)最早、應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料之一,對(duì)油中溶解的幾種特征氣體均敏感,是目前實(shí)驗(yàn)研究及商業(yè)應(yīng)用中最主要的敏感元件。針對(duì)乙炔(C2H2)氣體是所有油中溶解特征氣體中最能反映油浸式變壓器內(nèi)部放電故障以及金屬摻雜能明顯改善Zn O氣體傳感器檢測(cè)特性的特征,論文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào):51277185),開(kāi)展了金屬摻雜Zn O基C2H2氣體傳感器的檢測(cè)特性及氣敏機(jī)理研究:制備了四種不同形貌以及金屬鎳(Ni)、銀(Ag)摻雜的Zn O氣體傳感器,測(cè)試分析了對(duì)C2H2氣體的溫度特性、濃度特性、最小檢測(cè)濃度、響應(yīng)恢復(fù)特性、穩(wěn)定性、選擇性等氣敏性能;基于密度泛函理論的第一性原理建立純Zn O、金屬Ni、Ag摻雜Zn O表面氧吸附模型和C2H2氣體吸附模型,模擬了C2H2與Zn O材料表面反應(yīng)的整個(gè)作用過(guò)程;從微觀電子層面對(duì)Zn O摻雜特性和氣體吸附特性進(jìn)行了計(jì)算;結(jié)合宏觀實(shí)驗(yàn)和微觀仿真分析對(duì)Zn O基C2H2氣敏傳感器的氣敏機(jī)理進(jìn)行了深入研究,論文取得的主要成果如下:研究了不同形貌Zn O納米粉體材料對(duì)C2H2氣體的氣敏性能;采用水熱法制備了微球狀、棒狀、分層花狀及分層海膽狀的Zn O納米粉體,基于實(shí)驗(yàn)室微量氣體測(cè)試平臺(tái),測(cè)試研究了其對(duì)C2H2氣體的檢測(cè)特性,測(cè)試結(jié)果表明分層海膽狀Zn O對(duì)C2H2氣體具有較高的靈敏度、最低的工作溫度和最快的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間。結(jié)合基于第一性原理建立的表面吸附模型研究了纖鋅礦Zn O的氣敏模擬機(jī)制:Zn O氣敏性能的提高是由于分層海膽狀Zn O材料具有更大的比表面積和更多的孔隙,提供了更多氣體吸附的位置,為被測(cè)氣體的擴(kuò)散提供了良好的通道,增加了表面電荷轉(zhuǎn)移的量,提高了表面電荷轉(zhuǎn)移的速度。對(duì)不同形貌Zn O納米粉體材料,材料表面電荷轉(zhuǎn)移的量和速度是決定其對(duì)C2H2氣體檢測(cè)性能的主要因素。研究了金屬鎳(Ni)摻雜Zn O納米粉體材料對(duì)C2H2氣體的氣敏性能;基于平面型微量氣體測(cè)試平臺(tái),對(duì)C2H2氣體進(jìn)行氣敏特性測(cè)試:所有摻雜樣品的氣敏性能較摻雜前都有所提高,特別6 mol%Ni摻雜量Zn O樣品性能最佳,并對(duì)C2H2氣體表現(xiàn)出良好的選擇性�；诘谝恍栽斫⒘私饘貼i摻雜Zn O(0001)面的摻雜模型、氧吸附以及C2H2分子吸附模型。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算:摻雜Ni后Zn O(0001)面窄化的禁帶減少了電子發(fā)生躍遷時(shí)所需的能量,降低了C2H2檢測(cè)的工作溫度,摻雜后增加的氣體與材料表面的電荷轉(zhuǎn)移量使材料接觸C2H2氣體后電阻變化更為顯著,提升了對(duì)C2H2檢測(cè)的靈敏度。研究了金屬銀(Ag)摻雜Zn O納米粉體材料對(duì)C2H2氣體的氣敏性能;測(cè)試不同Ag摻雜濃度Zn O的C2H2氣敏特性,發(fā)現(xiàn)摻雜10 mol%Ag的Zn O納米棒對(duì)C2H2氣體最佳工作溫度更低、靈敏度更高、檢測(cè)極限更小,能從一氧化碳、氫氣中選擇出C2H2。利用勢(shì)壘模型解釋了Ag摻雜Zn O氣體傳感器檢測(cè)C2H2氣體的氣敏機(jī)理�；诘谝恍栽斫⒘薃g替換Zn位摻雜Zn O(0001)面的摻雜模型和氧吸附與C2H2吸附模型。對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象與理論計(jì)算:受主能級(jí)的引入和禁帶寬度的進(jìn)一步窄化,降低了Zn O元件測(cè)試C2H2氣體的工作溫度,更高的吸附能增加了氣體在表面吸附的穩(wěn)定性,Ag元素的摻入為表面提供了更多可以發(fā)生轉(zhuǎn)移的電荷容量,并且Zn O表面與氣體發(fā)生了更多的電荷轉(zhuǎn)移,使檢測(cè)C2H2氣體時(shí)的表面電阻變化加劇。這些微觀結(jié)構(gòu)變化共同作用是Ag元素?fù)诫s宏觀C2H2檢測(cè)性能比Ni摻雜更高的原因。計(jì)算結(jié)果和檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)說(shuō)明我們建立的模型用于解釋摻雜Ag纖鋅礦Zn O的氣敏機(jī)理是可行的。論文研究了純Zn O、金屬Ni、Ag摻雜Zn O的C2H2氣體的檢測(cè)特性,基于密度泛函理論的第一性原理建立純Zn O、金屬Ni、Ag摻雜Zn O表面氧吸附模型和C2H2氣體吸附模型,模擬了C2H2與Zn O材料表面反應(yīng)的整個(gè)作用過(guò)程;建立了纖鋅礦Zn O的C2H2氣體氣敏模擬機(jī)制,揭示了金屬摻雜和采用不同金屬摻雜的Zn O乙炔氣敏傳感器氣敏性能提高的機(jī)理,為高性能半導(dǎo)體Zn O乙炔氣敏傳感器的研制提供了理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM41;TP212
【目錄】：

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3 陳向東;蔣亞?wèn)|;吳志明;李丹;;復(fù)合物氣敏薄膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)[A];第三屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1998年

4 張琦;董永貴;盛國(guó)俊;;一種光催化TiO2膜的阻抗特性及應(yīng)用[A];2008中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)進(jìn)展大會(huì)論文集（Ⅰ）[C];2008年

5 周澤義;蓋良京;王德發(fā);;化學(xué)轉(zhuǎn)化柱法測(cè)定氣體中的微痕量水分的氣敏分析儀的研究[A];2004全國(guó)測(cè)控、計(jì)量與儀器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2004年

6 劉海波;李雪梅;徐寶琨;李熙;趙慕愚;;納米晶α—Fe_2O_3材料氣敏性質(zhì)的研究[A];首屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1992年

7 沈文鋒;趙巖;張彩碚;;噴墨打印次數(shù)對(duì)SnO_2氣敏薄膜性能的影響[A];第八屆全國(guó)氣濕敏傳感器技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2004年

8 周爽;毛少瑜;謝兆雄;;錳酸釔及其摻雜物納米顆粒的合成與氣敏性質(zhì)研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

9 曹豐;李東旭;管自生;;聚苯胺用于氣敏傳感器件的研究[A];2007年全國(guó)博士生學(xué)術(shù)論壇（材料科學(xué)與工程學(xué)科）論文集[C];2007年

10 孫冉;李方方;蔣亞琪;謝兆雄;;氧化鋅在混合溶劑熱條件下的合成、表征和氣敏性質(zhì)測(cè)試[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 湖北 朱少華;[N];電子報(bào);2006年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 時(shí)長(zhǎng)民;新型一氧化碳和二氧化碳敏感材料氣敏機(jī)制的研究[D];山東大學(xué);2015年

2 高拓宇;金屬摻雜氧化鋅基乙炔氣體傳感器的檢測(cè)特性及氣敏機(jī)理研究[D];重慶大學(xué);2015年

3 王小風(fēng);氧化物納米材料對(duì)CO_2及還原性氣體的氣敏性研究[D];山東大學(xué);2014年

4 楊黎;金屬氧化物半導(dǎo)體多孔膜材料氣敏過(guò)程中的導(dǎo)電行為研究[D];華中科技大學(xué);2013年

5 桂陽(yáng)海;納米ZnO基氣敏元件制備及在易燃、易爆物檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2006年

6 翟佳麗;氧化鋅納米復(fù)合材料的光電氣敏性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2012年

7 謝丹;NO_2氣敏LB膜及其微結(jié)構(gòu)傳感器研究[D];電子科技大學(xué);2001年

8 彭亮;基于氧化鋅納米材料的光電氣敏性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2009年

9 徐琳;靜電紡絲法制備一維氧化物納米材料及其傳感和發(fā)光性質(zhì)的研究[D];吉林大學(xué);2011年

10 何洪;取向多孔導(dǎo)電聚乙烯醇（聚氨酯）基復(fù)合材料的制備及氣敏行為[D];重慶大學(xué);2012年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉凱華;纖維素基氣敏導(dǎo)電復(fù)合材料的制備及其性能的研究[D];華南理工大學(xué);2015年

2 施佳偉;一種液晶型酞菁鋅的NO_2氣敏性質(zhì)[D];山東大學(xué);2015年

3 張潔;多元異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的氣敏及熒光特性研究[D];蘇州大學(xué);2015年

4 劉海燕;以Co_3O_4為基的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備及其氣敏性質(zhì)的研究[D];北京化工大學(xué);2015年

5 楊芬;鈣鈦礦型材料的氣敏性質(zhì)研究[D];昆明理工大學(xué);2004年

6 余龍;SnO_2基傳統(tǒng)氣敏材料改性及對(duì)CO_2氣體的氣敏特性研究[D];重慶大學(xué);2004年

7 趙先銳;偏錫酸鋅稀土摻雜及酒敏性能研究[D];重慶大學(xué);2006年

8 陳浩;光激發(fā)氣敏傳感及其高通量表征裝置的研究[D];華中科技大學(xué);2012年

9 韓麗娜;花狀納米氧化鋅光電氣敏性質(zhì)的研究[D];吉林大學(xué);2012年

10 馮祖勇;α-Fe_2O_3基氣敏納米材料的制備及其結(jié)構(gòu)、性能的研究[D];福州大學(xué);2002年

  本文關(guān)鍵詞：金屬摻雜氧化鋅基乙炔氣體傳感器的檢測(cè)特性及氣敏機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：232939