铈、银掺杂的二氧化锡单根纳米带的气敏性能研究

发布时间：2017-10-17 16:19

  本文关键词：铈、银掺杂的二氧化锡单根纳米带的气敏性能研究

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【摘要】：纳米材料由于其特殊的结构而具有奇异的物理化学性质,如小尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应等,因而广泛应用于气敏传感器。二氧化锡是非常重要的金属氧化物半导体气敏材料之一,被广泛应用于检测各种有毒、易燃、易爆气体。目前已发展各种方法来制备各种形态、比表面积大的纳米材料,这有助于增强气体与材料的表面接触,从而提高气敏探测能力。研究表明:在材料中掺杂稀土或贵金属,可有效提高气敏传感器的气敏响应和选择性。基于此,本论文的研究工作是利用热蒸发法制备铈和银掺杂的二氧化锡纳米带,设计制作单根铈和银掺杂的二氧化锡单根纳米带器件,并系统研究其气敏特性,发展对乙醇等特种挥发性物质高响应、高灵敏度的气敏器件,提升对特殊气体的探测、监测能力。首先用三温区的真空管式炉制备了纯净的二氧化锡纳米带,并通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、能量色散X射线光谱(EDS)、X射线光电子能谱分析(XPS)等表征方法对纳米带的形貌、微结构、成分等进行表征。然后,选择形貌良好的纳米带制作成单片纳米带器件研究其气敏性质。结果表明:对于酒精、丙酮、甲醛、乙二醇、一氧化碳,单根二氧化锡纳米带传感器的最佳工作温度为230°C,器件对100 ppm酒精的响应最大,为3.3。其次,在相同条件下制备了铈掺杂的二氧化锡纳米带,对其形貌结构的分析看出纳米带的宽度明显变宽,纳米带由Sn、O、Ce元素组成,铈以Ce3+形式成功掺杂到二氧化锡中。对酒精、丙酮、甲醛、乙二醇、一氧化碳五种气体的测试发现器件的最佳工作温度为230°C,铈掺杂二氧化锡单根纳米带器件对100ppm酒精的响应为8.4,是纯净二氧化锡纳米带器件的2.6倍。对丙酮、甲醛、乙二醇、一氧化碳的响应分别为3.32、2.03、1.97、1.21。铈掺杂单根二氧化锡纳米带器件对酒精的的理论探测极限为156 ppb。同时发现湿度对器件的性能没有任何影响。另外还制备了银掺杂二氧化锡纳米带,并进行结构表征。单片银掺杂二氧化锡纳米带器件对丙酮、酒精、甲醛、乙二醇、一氧化碳的最佳工作温度为220°C,对100 ppm丙酮的响应为7.6,是纯净的2.38倍。对100 ppm酒精、甲醛、乙二醇、一氧化碳的响应分别为3.5、1.67、1.78、1.2。银离子的掺杂极大地提高了二氧化锡纳米带对丙酮的气敏特性。最后,对全文进行总结,比较铈掺杂二氧化锡纳米带传感器和银掺杂二氧化锡纳米带器件的气敏性能,发现这两种器件可以广泛应用于对酒精和丙酮的探测。
【关键词】：二氧化锡 纳米带 铈掺杂 银掺杂 气敏传感器
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 纳米材料简介11
• 1.1.1 纳米材料概念11
• 1.1.2 纳米材料分类11
• 1.2 纳米材料的性质11-13
• 1.2.1 小尺寸效应11-12
• 1.2.2 表面效应12
• 1.2.3 量子效应12
• 1.2.4 宏观量子隧道效应12-13
• 1.3 纳米科学技术的发展13-15
• 1.4 纳米科学技术的应用15-19
• 1.4.1 纳米技术与生物医学15-16
• 1.4.2 纳米技术与光电子16-17
• 1.4.3 纳米技术与环境治理17
• 1.4.4 纳米材料与太阳能利用17-19
• 1.5 纳米材料的制备19-22
• 1.5.1 气相法19-20
• 1.5.2 液相法20-22
• 1.5.3 固相法22
• 1.6 一维纳米材料22-24
• 1.6.1 一维纳米材料的特性22-23
• 1.6.2 一维纳米材料的研究进展23-24
• 1.7 纳米传感器24-27
• 1.7.1 纳米传感器简介24
• 1.7.2 纳米传感器分类24-25
• 1.7.3 气敏传感器25-27
• 1.7.4 基于二氧化锡纳米材料的气体传感器27
• 1.8 本文的研究目的意义和内容27-29
• 1.8.1 本文的研究目的意义27-28
• 1.8.2 本文的研究内容28-29
• 第2章 基于纯净二氧化锡纳米带的气敏传感器29-41
• 2.1 引言29
• 2.2 实验仪器介绍及实验过程29-34
• 2.2.1 纳米带制作的实验仪器29-30
• 2.2.2 纯净二氧化锡纳米带的制作流程30-31
• 2.2.3 气相法制备纳米材料的生长机理31-32
• 2.2.4 电子束蒸发仪32-33
• 2.2.5 器件制作流程33
• 2.2.6 气敏测试系统33-34
• 2.3 纯净二氧化锡纳米带的表征34-37
• 2.3.1 纯净二氧化锡纳米带的SEM图34
• 2.3.2 纯净二氧化锡纳米带的TEM图34-35
• 2.3.3 纯净二氧化锡纳米带的XRD和EDS图35-36
• 2.3.4 纯净二氧化锡纳米带的XPS分析36-37
• 2.4 纯净二氧化锡纳米带的气敏性能37-39
• 2.4.1 电学性质和最佳工作温度37
• 2.4.2 选择性及响应恢复曲线37-38
• 2.4.3 浓度变化曲线和探测极限38-39
• 2.5 气敏响应机理39
• 2.6 本章小结39-41
• 第3章 基于铈掺杂二氧化锡纳米带的气敏传感器41-52
• 3.1 引言41
• 3.2 铈掺杂二氧化锡纳米带的制备及表征41-45
• 3.2.1 铈掺杂二氧化锡纳米带的制备41-42
• 3.2.2 铈掺杂二氧化锡纳米带的SEM图42
• 3.2.3 铈掺杂二氧化锡纳米带的TEM图42-43
• 3.2.4 铈掺杂二氧化锡纳米带的XRD和EDS图43-44
• 3.2.5 铈掺杂二氧化锡纳米带的XPS图44-45
• 3.3 铈掺杂二氧化锡纳米带的气敏性能45-49
• 3.3.1 电学性质和最佳工作温度45-46
• 3.3.2 器件选择性46
• 3.3.3 浓度变化曲线和探测极限46-48
• 3.3.4 响应恢复曲线48
• 3.3.5 湿度的影响48-49
• 3.4 铈掺杂传感器的气敏响应机理49-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 基于银掺杂二氧化锡纳米带的气敏传感器52-62
• 4.1 引言52
• 4.2 银掺杂二氧化锡纳米带的制备及表征52-56
• 4.2.1 银掺杂二氧化锡纳米带的制备52-53
• 4.2.2 银掺杂二氧化锡纳米带的SEM图53
• 4.2.3 银掺杂二氧化锡纳米带的TEM图53-54
• 4.2.4 银掺杂二氧化锡纳米带的XRD和EDS图54
• 4.2.5 银掺杂二氧化锡纳米带的XPS图54-56
• 4.3 银掺杂二氧化锡纳米带的气敏性能56-59
• 4.3.1 电学性质和最佳工作温度56
• 4.3.2 器件选择性56-57
• 4.3.3 浓度变化曲线和探测极限57-58
• 4.3.4 响应恢复曲线58-59
• 4.3.5 湿度的影响59
• 4.4 银掺杂传感器的气敏响应机理59-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第5章 论文总结及改进62-65
• 5.1 论文总结62-64
• 5.2 改进64-65
• 参考文献65-72
• 攻读学位期间发表的论文和科研成果72-73
• 致谢73

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本文编号：1049823