本文選題：氣體傳感器　切入點(diǎn)：氧化物半導(dǎo)體　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：本文主要以構(gòu)筑高性能氣體傳感器為目標(biāo),結(jié)合目前半導(dǎo)體氣體傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展形勢(shì),按照敏感材料的設(shè)計(jì)制備、結(jié)構(gòu)表征、性能研究和理論探索的研究思路,在半導(dǎo)體氧化物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、修飾改性、異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合等方面比較系統(tǒng)地開(kāi)展了研究工作。首先,利用微波水熱法制備了In2O3分等級(jí)結(jié)構(gòu)以及Zn O核殼結(jié)構(gòu),并分別討論了這兩種單一金屬氧化物的氣敏特性對(duì)結(jié)構(gòu)/形貌的依賴(lài)性;然后,通過(guò)貴金屬修飾,研究了Au納米顆粒對(duì)Zn O氣敏特性造成的影響;在此基礎(chǔ)上,利用模板法制備了Au@Zn O和Au@In2O3兩種金-半異質(zhì)結(jié)構(gòu),研究了其氣體傳感特性;最后,構(gòu)筑了Zn O/Zn Fe2O4復(fù)合敏感材料,比較了單一敏感材料和復(fù)合敏感材料氣敏特性的差異。具體研究?jī)?nèi)容如下:1.為了提高氧化物半導(dǎo)體敏感材料的識(shí)別功能、轉(zhuǎn)換功能和敏感體的利用效率,設(shè)計(jì)制備了In2O3分等級(jí)結(jié)構(gòu)和Zn O核殼結(jié)構(gòu),顯著提升了對(duì)NO2和乙醇的靈敏度。首先利用微波水熱法制備了結(jié)構(gòu)規(guī)則、疏松多孔的棒束狀I(lǐng)n2O3分等級(jí)結(jié)構(gòu),SEM結(jié)果表明它是由直徑約為50 nm的納米棒組裝而成。這些In2O3納米棒沿著中心軸呈軸對(duì)稱(chēng)排布,表現(xiàn)出了良好的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性。研究發(fā)現(xiàn),基于In2O3分等級(jí)結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)1 ppm NO2的靈敏度可以高達(dá)87,檢測(cè)下限可以低至40 ppb,其良好的特性可歸因于其多孔的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積。此外,還研究了基于Zn O核殼結(jié)構(gòu)的氣體傳感器的敏感特性。通過(guò)觀(guān)察不同反應(yīng)時(shí)間下所得產(chǎn)物的微觀(guān)結(jié)構(gòu),研究了Zn O@void@Zn O型核殼結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程和機(jī)理。相比于Zn O中空結(jié)構(gòu),Zn O核殼結(jié)構(gòu)具有更多的表面活性位點(diǎn),從而使其表現(xiàn)出更好的氣敏特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Zn O@void@Zn O核殼結(jié)構(gòu)對(duì)200 ppm乙醇的最大響應(yīng)約為Zn O中空結(jié)構(gòu)的2倍。2.利用Au納米顆粒對(duì)Zn O進(jìn)行修飾改性,研究了貴金屬修飾對(duì)氧化物半導(dǎo)體氣體傳感特性的影響。首先,通過(guò)在反應(yīng)體系中加入不同體積的HAu Cl4溶液,利用微波輔助合成法,制備了四種金擔(dān)載的Zn O中空球。由于在反應(yīng)過(guò)程中溶液一直處于攪拌狀態(tài)下,因此反應(yīng)生成的Zn O中空球具有良好的分散性和均勻度,而且Au納米顆粒也均勻地分散在了Zn O中空球上。對(duì)各種Au摻入比例的Zn O進(jìn)行了氣體傳感特性的評(píng)價(jià)和比較。結(jié)果表明:由于貴金屬的“電子敏化”和“化學(xué)敏化”作用或兩者的協(xié)同作用,經(jīng)過(guò)Au顆粒修飾的Zn O的氣敏特性明顯優(yōu)于未修飾的Zn O,其中摻入量為1 mol%的Zn O對(duì)200 ppm乙醇具有最大響應(yīng),是純相Zn O的2倍,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間也明顯短于未修飾的Zn O。3.設(shè)計(jì)制備了新型的具有核殼結(jié)構(gòu)的貴金屬與半導(dǎo)體的復(fù)合材料。以實(shí)驗(yàn)中合成的Au@C納米球作為模板,利用室溫下陳化吸附結(jié)合后續(xù)熱處理的方法成功地制備了Au@Zn O和Au@In2O3兩種金-半異質(zhì)結(jié)構(gòu)�；w材料的分等級(jí)結(jié)構(gòu)化和貴金屬Au的催化作用,使得這兩種金-半異質(zhì)結(jié)構(gòu)在檢測(cè)有機(jī)揮發(fā)性氣體(VOC)方面都顯示出了優(yōu)異的特性。基于Au@Zn O核殼結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)100ppm丙酮的最大響應(yīng)值為37,遠(yuǎn)高于基于Zn O中空結(jié)構(gòu)和Zn O實(shí)心結(jié)構(gòu)的傳感器�；贏u@In2O3核殼結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)甲醛的最大靈敏度比使用In2O3納米球的傳感器高出3倍。4.設(shè)計(jì)制備了由兩種氧化物半導(dǎo)體組成的半-半異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在Zn O中空結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)液相反應(yīng)結(jié)合后續(xù)熱處理的方法,首次制備了Zn O/Zn Fe2O4雙殼層中空結(jié)構(gòu)。氣體傳感特性測(cè)試結(jié)果表明:基于Zn O/Zn Fe2O4異質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)丙酮不僅具有較高的靈敏度,而且具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性,在250℃下,對(duì)100 ppm丙酮的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為1和11 s,與純Zn O中空結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間相比縮短了幾十秒。其良好的傳感特性可歸因于異質(zhì)結(jié)的形成以及材料較大的比表面積。
[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(lèi)號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：1670889