铁酸锌纳米结构的制备及其气敏性能
发布时间：2020-03-20 11:45
【摘要】：人体呼出气体的成分和含量可以标志某些疾病,呼出气体中丙酮被公认为是表征糖尿病的标志物之一。目前对于丙酮气体的检测手段主要包括气相色谱法和质谱分析法等,但这些方法由于检测设备体积大、操作复杂等缺点不利于制备便携式丙酮传感器。半导体传感器因为其具有体积小、便于操作、稳定性好等特点,成为检测呼吸丙酮气体的方法之一。目前已有TiO_2、WO_3、ZnO等材料用作检测丙酮气体的敏感材料,ZnFe_2O_4作为一种尖晶石结构材料,在晶胞中存在氧缺陷,在磁流体、光催化以及气敏传感领域引起了研究者们的广泛关注。已有溶胶凝胶法、固相法、燃烧法等制备ZnFe_2O_4纳米材料的报道,结构也包含纳米片、纳米棒、纳米中空球等,但空心分级结构相对较少。本文首先通过水热合成法制备得到ZnFe_2O_4纳米球和ZnFe_2O_4纳米片状中空球,并通过贵金属对ZnFe_2O_4纳米片状中空球表面进行活化处理,有效提高了材料对丙酮的响应性能。水热反应法制备的纳米片状中空球较纳米球表现出更好的气敏性能。具有分级结构的纳米片状中空球在150-250℃下,对丙酮具有较好的响应性能,其中175℃性能最佳,可以实现对0.8 ppm(判定糖尿病的特征浓度)丙酮的响应。本文还研究了纳米片状中空球在湿度从0到100%范围对丙酮的响应。结果表明,当湿度从0%变化到75%时,传感器响应性能变化较少,而当湿度增加到100%,性能则明显下降。本文然后利用NaBH_4在室温下对ZnFe_2O_4纳米片状中空球表面进行Pt的激活,在激活过程中,酸性溶液破坏了 ZnFe_2O_4纳米片状中空球。随着Pt含量的增加,ZnFe_2O_4中空球的厚度不断增加。气敏测试实验结果显示Pt含量为1.5%时,Pt-ZnFe_2O_4对丙酮的响应性能最好。Pt虽然破坏了原材料的纳米结构,但仍提升了材料对丙酮气敏性能。在最优工作温度175℃下,测试了不同湿度对传感器性能的影响,并进行了选择性测试。本文最后利用AgNO_3对ZnFe_2O_4纳米片状中空球表面进行Ag的激活,研究了 Ag含量和激活过程对形貌的影响。随着Ag含量的增加,对表面纳米片结构破坏越严重,但基本保存了其片状中空球结构。实验结果显示,Ag含量为0.25%时,Ag-ZnFe_2O_4纳米片状中空球的气敏性能最优,对0.8ppm的丙酮灵敏度为1.47,表现出良好的选择性和湿度稳定性。
【图文】：
图１－２逦（ａ）厚膜型传感器结构的示意图，（ｂ）实物照片逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋（ａ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｉｃｋ邋ｆｉｌｍ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，，邋（ｂ）邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｓｅｎｓｏｒ．逡逑
３逡逑网印刷等技术将半导体气敏材料涂覆在Ａｌ２0３基板上，Ａｌ２0３传感器基板的正反面分别印有逡逑Ｐｔ电极和Ａｕ电极，分别用于为器件提供所需的工作温度和信号采集，其结构如图１－２所逡逑示。厚膜型器件与烧结型和薄膜型相比，由于其特定的制备工艺得到的气敏层厚度均一、逡逑一致性较好、工艺要求低、适合规模化生产。逡逑根据电阻变化机制，电阻型传感器有被分为表面电导型和体电导型。被测气体在气敏逡逑材料表面发生反应使材料的电阻值发生变化的传感器被称为表面电导控制型。体电导控制逡逑型传感器是指在目标气体中气敏材料因化学计量比、晶体结构的变化而致使气敏材料体电逡逑阻发生变化的传感器。逡逑ｐｆ＂烧结型逡逑器件结构邋逦逡逑￣厚膜型逡逑Ｉ逦逦：一．…逡逑Ｔ＾￣ｆ邋＿邋＿邋逦逡逑电阻式邋＿逦薄膜型逡逑气体传感器逦ｉ－二一＇—Ｊ逡逑导电机制「表面电导型逡逑［体电导型逡逑图１－１半导体传感器的分类逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｓｅｎｓｏｒ．逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑ｓｅｎｓｉｎｇ邋ｃｏａｔｉｎｇｓ逡逑、S缅危铄澹坼澹慑义希苠危苠澹粒蹂澹澹欤澹悖簦颍铮洌澹箦义希校翦澹澹欤澹悖簦颍铮洌澹箦义希簦瑁邋澹妫颍铮睿翦澹铮驽澹螅澹睿螅铮蝈义稀ⅲ渴浚垮危迹保俊板义希蓿㈠澹裕瑁邋澹猓幔悖脲澹铮驽澹螅澹睿螅铮蝈握驽畏疵驽义贤迹保插危ǎ幔┖衲ば痛衅鹘峁沟氖疽馔迹ǎ猓┦滴镎掌义希疲椋纾澹保插澹ǎ幔╁澹樱悖瑁澹恚幔簦椋沐澹铮驽澹簦瑁椋悖脲澹妫椋欤礤澹螅澹睿螅铮蝈澹螅簦颍酰悖簦酰颍
本文编号：2591733
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