微納結(jié)構(gòu)金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的制備及性能研究.pdf

1、在社會科技的不斷進步、人們生活質(zhì)量不斷提高的今天，人們對自身健康和生存環(huán)境的要求也日益增高，尤其是對大氣中的污染氣體和室內(nèi)裝潢時有害氣體的檢測也更加迫切。傳感器作為信息獲取的器件或系統(tǒng)，已經(jīng)成為現(xiàn)代科技的一大產(chǎn)業(yè)，而敏感材料作為氣體傳感器的核心基礎(chǔ)，是現(xiàn)代社會發(fā)展和推動氣體傳感器的一個重要部分。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、靈敏度高、響應(yīng)迅速等優(yōu)點，經(jīng)過長期的研究發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品、家裝等各行各業(yè)；而納米

2、科技的發(fā)展為金屬氧化物半導(dǎo)體材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究注入了新的能量，因此，利用納米技術(shù)制備氣體傳感器的敏感材料是開發(fā)高性能傳感器的一個重要途徑。本論文主要從提高金屬氧化物半導(dǎo)體敏感材料的檢測性能入手，圍繞氣體傳感器在檢測氣體中存在的問題，通過對材料的形貌結(jié)構(gòu)、摻雜改性和元素組分進行設(shè)計調(diào)控，開發(fā)綠色、高效的合成策略來制備微納米結(jié)構(gòu)的敏感材料來改進傳感器的靈敏度、響應(yīng)回復(fù)、選擇性和穩(wěn)定性等性能指標。在設(shè)計和開發(fā)高性能敏感材料的同時，研究了

3、敏感材料的微納米結(jié)構(gòu)與氣敏性能之間的關(guān)系，深入探討了材料相體系組分與氣敏性能之間的變化規(guī)律，為半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器性能的提高和金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏機理的研究提供了大量的實驗依據(jù)。主要內(nèi)容如下：
　　（1）以提高氣體傳感器靈敏度為目的，采用一種簡單、高效、環(huán)保的制備技術(shù)，即結(jié)合溶劑蒸發(fā)和分子間作用力的原理來指引納米晶自組裝獲得一種介孔結(jié)構(gòu)的SnO2。解決了無規(guī)則納米粒子由于范德華力作用團聚的問題，增大了比表面積，分析對比了有介孔和

4、無介孔的敏感材料 SnO2對高毒性 NO的敏感性能。通過對比得出統(tǒng)一的介孔結(jié)構(gòu)不僅可以促使材料吸附更多的氣體，還可以提高氣體擴散速率以增強其靈敏度。
　?。?）利用水熱合成技術(shù)制備出 NiO摻雜進入 SnO2多孔空心球，預(yù)先合成一種長鏈鎳合氨三乙酸聚合物(—NiNTA—)n，將其加入錫酸鈉溶液中，NTA溶解于錫酸鈉溶液，通過水熱反應(yīng)和煅燒處理，進而將 NiO植入 SnO2中。一方面利用疏松殼層和中空結(jié)構(gòu)對待測氣體分子傳輸?shù)淖饔茫?/p>

5、加了待測氣體分子在敏感體表面的吸附量；另一方面利用NiO促進電子的遷移，從而增強敏感特性，并建立了氣敏機理的模型。
　?。?）通過一個簡單的雙水解反應(yīng)，將得到的白色沉淀直接進行水熱處理得到由三維面心立方結(jié)構(gòu)向二維斜方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的三元金屬氧化物 ZnSnO3納米片。該結(jié)構(gòu)的傳感器顯示了較高的靈敏度以及超快的響應(yīng)回復(fù)，對酒精和丙酮氣體的響應(yīng)時間小于1 s，這歸結(jié)于元件納米片的厚度（在10-15 nm范圍內(nèi)）約為德拜長度的2倍，并聯(lián)合靈敏

6、度公式以及德拜長度解釋了此片狀結(jié)構(gòu)在傳感器響應(yīng)中的優(yōu)勢。基于實驗結(jié)果從理論上分析和解釋影響氣敏性能的內(nèi)在原因以及此傳感器所表現(xiàn)出的超高氣敏特性的原因。傳感器對酒精和丙酮的靈敏度相差不大，但對丙酮的響應(yīng)回復(fù)更快，這和二者分別與吸附氧發(fā)生的化學反應(yīng)有關(guān)。
　?。?）利用水熱合成技術(shù)將二維 NiCo2O4納米片原位生長于還原性的石墨烯(RGO)片上，研究 RGO的引入對鋰電性能的提高，并將復(fù)合材料制成氣敏元件對還原性氣體進行測試，敏感材

7、料顯示 p型響應(yīng)。在280℃的最適溫度下，復(fù)合物元件對500 ppm酒精氣體的靈敏度為4.47，約是單獨的NiCo2O4元件在此溫度下靈敏度的4倍。NiCo2O4元件的響應(yīng)和回復(fù)時間分別為21 s和32 s；而引入 RGO后元件的響應(yīng)回復(fù)時間分別縮短為9 s和12 s。盡管氣敏性能不算很好，但是 RGO的加入?yún)s能使材料對酒精氣體的響應(yīng)回復(fù)得到明顯得改善。同時，通過性能對比分析了p型 RGO在改善氣敏性能方面的作用，為發(fā)展新型敏感材料以及