分級結(jié)構(gòu)SnO 2 @ZnO納米材料的制備及其性能研究
發(fā)布時間：2021-06-29 01:42
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,氣敏傳感器在有毒有害氣體檢測領(lǐng)域顯得愈加重要,但目前廣泛研究的半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏傳感器存在諸多問題,如對氣體的選擇性較差,對低濃度（parts per billion,ppb量級）氣體的響應(yīng)度較低等。因此,開發(fā)具有高選擇性和在低濃度下較好響應(yīng)的氣敏傳感器顯得尤為重要。本論文從氣敏傳感材料研發(fā)的角度出發(fā),采用水熱法、微波水熱法合成了對二氧化氮（NO2）氣體具有高度選擇性的分級結(jié)構(gòu)二氧化錫包覆氧化鋅（SnO2@ZnO）納米材料,同時對ppb量級的NO2具有很好的響應(yīng)度。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:采用兩步水熱法、微波水熱法分別制備了分級結(jié)構(gòu)SnO2@ZnO納米材料,第一步制備ZnO納米花,第二步以ZnO納米花為初級結(jié)構(gòu)二次生長SnO2納米線,形成分級結(jié)構(gòu)SnO2@ZnO納米材料。對材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組分、化學(xué)鍵等進行了表征,構(gòu)建了兩種合成方法下材料的生長模型。相比之下,基于微波水熱法合成材料過程中,添加的ZnO納米花不易發(fā)生分解,使得ZnO的花狀結(jié)構(gòu)得以保留,SnO2...
【文章來源】：西北大學(xué)陜西省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：173 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
n型半導(dǎo)體吸附氧氣（氧離子吸附）時能帶彎曲示意圖[42]
1.2.2 提高半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏性能的方法 半導(dǎo)體金屬氧化物材料的氣敏性能除了與材料自身物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與表面、界面和結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖 1.2 所示[46]。因此，對于確定的材料，提高半導(dǎo)體金屬氧化物的氣敏性能可以從材料的表面、界面和結(jié)構(gòu)入手。表面依賴型氣敏增強機制主要由催化反應(yīng)決定，受溢出效應(yīng)、固相轉(zhuǎn)變、協(xié)同效應(yīng)等影響。界面依賴型氣敏增強機制主要是改變氣敏材料的電阻，由于載流子注入引起的表面敏化作用、界面勢壘、導(dǎo)電通道的縮小等影響。結(jié)構(gòu)依賴型氣敏增強機制主要是改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，如減小晶粒尺寸，增大比表面積等。
]，當(dāng)Pd在SnO2納米材料表面修飾時，由于Pd納米顆粒中的載流子濃度高，可以使得氧氣以離子態(tài)吸附在Pd的表面，同時也促進活化的氧分子在SnO2襯底上進行吸附。其次，Pd的功函數(shù)要高于SnO2，所以，電子會從SnO2一側(cè)轉(zhuǎn)移到Pd上，此時SnO2表面的載流子濃度會進一步降低，SnO2材料的耗盡層展寬使得SnO2體內(nèi)的載流子通道變窄，因此，兩種作用共同使得SnO2材料的氣敏性能增強。元素摻雜的原理與貴金屬修飾的原理接近，摻雜一方面可以改變材料載流子的濃度，另一方面，可以增加材料表面的活性位點，從而改變材料的氣敏性能[52-56]。圖1.3Pd修飾SnO2納米材料示意圖。（a）當(dāng)暴露在空氣中時，SnO2納米線/納米帶表面發(fā)生的變化和（b）對應(yīng)的能帶變化的示意圖[51]對于界面依賴型，包括金屬氧化物修飾、分級結(jié)構(gòu)納米材料（如刷子狀、球形核殼結(jié)構(gòu)，一維（1D）核殼結(jié)構(gòu)、多晶納米線）等，界面依賴型氣敏增強方法的核心是將單一的材料制備成復(fù)合材料。對于復(fù)合材料，除了常見的如SnO2-ZnO[25,40,57-61]、Fe2O3-ZnO[34,37,62,63]、ZnO-CuO[53,64-66]等，無論是二元氧化物，還是三元或者多元的其他組分的復(fù)合，都是通過界面的變化來增強材料的氣敏性能，即制備成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如p-n異型異質(zhì)結(jié)、n-n同型異質(zhì)結(jié)和p-p同型異質(zhì)結(jié)。當(dāng)次相材料生長在主相材料上時，如果次相材料的覆蓋度高于一定值后，體系主要體現(xiàn)出次相材料的響應(yīng)特性，反之則體系處主相結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，復(fù)合材料各組分之間可以相互耦合，形成協(xié)同效應(yīng)，共同改善氣敏材料的氣敏性能。對于納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，異質(zhì)結(jié)界面是調(diào)節(jié)氣敏性能最重要的因素，
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Zinc Oxide Nanostructures for NO2 Gas–Sensor Applications:A Review[J]. Rajesh Kumar,O.Al-Dossary,Girish Kumar,Ahmad Umar. Nano-Micro Letters. 2015(02)
本文編號：3255460
【文章來源】：西北大學(xué)陜西省 211工程院校
【文章頁數(shù)】：173 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
n型半導(dǎo)體吸附氧氣（氧離子吸附）時能帶彎曲示意圖[42]
1.2.2 提高半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏性能的方法 半導(dǎo)體金屬氧化物材料的氣敏性能除了與材料自身物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與表面、界面和結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖 1.2 所示[46]。因此，對于確定的材料，提高半導(dǎo)體金屬氧化物的氣敏性能可以從材料的表面、界面和結(jié)構(gòu)入手。表面依賴型氣敏增強機制主要由催化反應(yīng)決定，受溢出效應(yīng)、固相轉(zhuǎn)變、協(xié)同效應(yīng)等影響。界面依賴型氣敏增強機制主要是改變氣敏材料的電阻，由于載流子注入引起的表面敏化作用、界面勢壘、導(dǎo)電通道的縮小等影響。結(jié)構(gòu)依賴型氣敏增強機制主要是改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，如減小晶粒尺寸，增大比表面積等。
]，當(dāng)Pd在SnO2納米材料表面修飾時，由于Pd納米顆粒中的載流子濃度高，可以使得氧氣以離子態(tài)吸附在Pd的表面，同時也促進活化的氧分子在SnO2襯底上進行吸附。其次，Pd的功函數(shù)要高于SnO2，所以，電子會從SnO2一側(cè)轉(zhuǎn)移到Pd上，此時SnO2表面的載流子濃度會進一步降低，SnO2材料的耗盡層展寬使得SnO2體內(nèi)的載流子通道變窄，因此，兩種作用共同使得SnO2材料的氣敏性能增強。元素摻雜的原理與貴金屬修飾的原理接近，摻雜一方面可以改變材料載流子的濃度，另一方面，可以增加材料表面的活性位點，從而改變材料的氣敏性能[52-56]。圖1.3Pd修飾SnO2納米材料示意圖。（a）當(dāng)暴露在空氣中時，SnO2納米線/納米帶表面發(fā)生的變化和（b）對應(yīng)的能帶變化的示意圖[51]對于界面依賴型，包括金屬氧化物修飾、分級結(jié)構(gòu)納米材料（如刷子狀、球形核殼結(jié)構(gòu)，一維（1D）核殼結(jié)構(gòu)、多晶納米線）等，界面依賴型氣敏增強方法的核心是將單一的材料制備成復(fù)合材料。對于復(fù)合材料，除了常見的如SnO2-ZnO[25,40,57-61]、Fe2O3-ZnO[34,37,62,63]、ZnO-CuO[53,64-66]等，無論是二元氧化物，還是三元或者多元的其他組分的復(fù)合，都是通過界面的變化來增強材料的氣敏性能，即制備成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如p-n異型異質(zhì)結(jié)、n-n同型異質(zhì)結(jié)和p-p同型異質(zhì)結(jié)。當(dāng)次相材料生長在主相材料上時，如果次相材料的覆蓋度高于一定值后，體系主要體現(xiàn)出次相材料的響應(yīng)特性，反之則體系處主相結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，復(fù)合材料各組分之間可以相互耦合，形成協(xié)同效應(yīng)，共同改善氣敏材料的氣敏性能。對于納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，異質(zhì)結(jié)界面是調(diào)節(jié)氣敏性能最重要的因素，
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Zinc Oxide Nanostructures for NO2 Gas–Sensor Applications:A Review[J]. Rajesh Kumar,O.Al-Dossary,Girish Kumar,Ahmad Umar. Nano-Micro Letters. 2015(02)
本文編號：3255460
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