【摘要】：ZnO是一種禁帶寬度為3.37eV的n型半導體氧化物，具有良好的電子遷移率和化學穩(wěn)定性。近年來，基于ZnO氣體傳感器的研究引起了廣大研究者的關(guān)注，并且通過貴金屬元素摻雜改善傳感器的氣敏特性具有極其重要的作用，成為ZnO氣體傳感器研究的重點。 本文采用水熱法制備ZnO微結(jié)構(gòu)，并通過貴金屬氧化物進行修飾改性進而改善ZnO的氣敏特性。利用SEM、EDS、XRD和XPS對材料的形貌、結(jié)構(gòu)進行表征，采用CGS-1TP進行氣敏性能測試，通過分析得出以下結(jié)論： （1）利用水熱法合成了棒狀ZnO微結(jié)構(gòu)，研究表明該ZnO為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。氣敏測試結(jié)果表明，該傳感器的最佳工作電壓為5V，200ppm甲烷的靈敏度為55.4%，最低檢測極限為1ppm。 （2）不同濃度（0.1，0.25，0.5和1.0wt%）的Pd元素對棒狀ZnO微結(jié)構(gòu)進行摻雜，表征結(jié)果顯示，其微結(jié)構(gòu)的形貌沒有明顯的變化。無水乙醇氣敏測試結(jié)果表明：摻雜量為0.25wt%的傳感器的氣敏特性最佳，其在工作溫度和響應/恢復時間（分別為325℃和10/7s）方面明顯優(yōu)于純ZnO氣體傳感器（分別為400℃和17/24s）。 （3）采用二步水熱合成法實現(xiàn)了不同濃度（0，0.5，1.0，3.0和5.0wt%）Co元素對花狀ZnO微結(jié)構(gòu)的摻雜，表征結(jié)果顯示，，摻雜后其形貌發(fā)生了明顯的變化。氣敏測試結(jié)果表明：Co摻雜的ZnO傳感器相較于CO和H2對甲烷具有最佳的選擇性，當Co的含量為1.0wt%時，器件的最佳工作溫度為140℃，對甲烷的最高靈敏度為3.55，響應恢復時間分別為19s和27s，且其檢測下限達到了0.05ppm。 （4）分析傳感器的氣敏機理，可知：異質(zhì)結(jié)的形成能夠促使氧分子的解離，加速了載流子的移動速度，拓寬耗盡層的寬度，增強元件的氣敏性能，只有合適濃度的貴金屬摻雜才能最大限度的優(yōu)化氣體傳感器的特性。
【圖文】：

太原理工大學碩士研究生學位論文 ZnO 的特性及制備方法.1 ZnO 物理性質(zhì)氧化鋅（ZnO）是由Ⅱ族元素 Zn 和Ⅵ族元素 O 化合而成的直接帶隙族 n 型半導體，室溫下的禁帶寬度為 3.37 eV，激子結(jié)合能高達 60 meV，且化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，已經(jīng)廣泛應用于壓電敏感材料、氣體敏感材料、濕度敏感材料、太陽能電池和紫外器等領(lǐng)域，是一種無毒、價格低廉、很有應用前景的半導體金屬氧化物敏感材料。，人們已經(jīng)研制出了不同維數(shù)、不同形貌的 ZnO 結(jié)構(gòu)，如圖 1-1，納米線[6]、納米[7]、納米彈簧[8]、納米片[9]、納米球[10]、納米花[11]等，不同的形貌往往會影響其性優(yōu)異性，因此，其制備方法和性能分析成為了人們研究的熱點。

a b 0.3249nm， c 0.5206nm[13]。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，每個鋅原子與 4 個氧原子構(gòu)成了鋅氧四面體，ZnO 特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其形成了正負電荷分離的極化晶面，即帶荷鋅離子占據(jù)（0001）正極性面，帶負電荷的氧離子占據(jù)（ 000 1）負極性面，在個極性面的共同作用下使得制備的 ZnO 出現(xiàn)沿 c 軸擇優(yōu)取向生長的現(xiàn)象[14]。表 1-2 ZnO 的基本物理特性Table 1-2 Basic physical properties of ZnO物理屬性 參數(shù)值 物理屬性 參數(shù)值晶格常數(shù) (a，c/nm) 0.325，0.520 介電常數(shù) (ε) 8.656禁帶寬度 (Eg/eV) 3.37 本證載流子濃度 (n /cm-3) <106激子束縛能 (E/meV) 60 電子有效質(zhì)量 (me*/ m0) 0.24密度 (ρ/(g·cm-3) 5.606 空穴有效質(zhì)量 (mh*/ m0) 0.29熔點 (t/℃) 1975 電阻率 (ρ/Ω·cm) 1012
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.21

【共引文獻】

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本文編號：2570233