WSe 2 /SnO 2 复合材料的制备及室温NO 2 气敏性能研究
发布时间：2021-01-04 01:13
二氧化氮（NO2）是最为常见的有毒有害气体之一,它在机动车尾气排放、工业燃料高温燃烧等过程中均能产生,在导致生态问题的同时,对人体健康也十分不利,极易引起呼吸系统疾病。因此,迫切需要开发具有高灵敏度、快速响应恢复、优异选择性和重复性的NO2气敏传感器,并且近年来低能耗传感器成为重点发展方向,开发在室温下拥有以上优异性能的NO2气敏传感器成为研究的热点。在NO2气敏传感器中,过渡金属硫族化合物（Transition-metal dichalcogenides,简称TMDs）由于具有大的比表面积、优异的电导率及化学活性,易于实现室温气敏传感,近年来在气敏传感领域逐渐得到重视,但它也存在一定的缺陷,如灵敏度低、响应恢复时间长、稳定性差等。相关文献报道表明,TMDs与传统的金属氧化物能够实现优势互补,故室温气敏传感器的最新努力方向已经转向将金属氧化物与新型TMDs进行复合。因此,本课题提出采用简单的湿化学法制备花状WSe2纳米微球,并进一步采用水热法将其与传统的金属氧化物SnO
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见的电阻型气敏传感器
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-同时尽量降低其工作温度。图1-2各种应用于气敏传感器的半导体金属氧化物纳米材料示意图[28]近年来，纳米材料由于其独特的力学、电学、光学以及催化性质得到越来越多的应用，在气敏领域大部分的工作也都围绕其展开。相关研究表明，通过改变纳米材料的结构、形貌等能够对材料的性能进行调控[29-31]，因此许多研究人员通过改良制备时的工艺参数来对材料结构、尺寸、分布、形貌等进行控制，以提高材料的气敏性能。如T.Yamazaki[32]等采用热蒸发法分别制备了SnO2微丝、纳米线和米状纳米颗粒，如图1-3所示，a)图为合成的具有粗糙表面的微丝，其直径为2μm，长度为20μm，并且微丝呈现矩形形貌，在硅衬底表面上以不同方向（平行、垂直或倾斜）生长。图1-3b)所示的低倍FESEM图像显示该样品由许多直线和弯曲的纳米线组成，其平均长度为20μm。这些纳米线的表面很光滑，直径为50-100nm。图1-3c)显示了使用SnO2粉末作为原料制备的SnO2的大米状纳米颗粒结构，其平均粒径约为100nm。在不同温度下分别测试三种材料对2ppmNO2的响应情况，纳米颗粒结构SnO2传感器的灵敏度相对较低，并且随着工作温度升高而略有提高，在200℃时时灵敏度最高，约为5.5。使用SnO2微丝可以稍微改善传感器的响应，而使用SnO2纳米线作为敏感层则可以显著提高传感器的响应。有趣的是，SnO2纳米颗粒、微丝和纳米线传感器的最佳工作温度分别为200、100和150℃，线状结构的微丝和纳米线的最佳工作温度均比纳米颗粒要低。对于2ppmNO2气体，SnO2纳米线于150℃的工作温度下对其响应最高，所得的最高灵敏度为88。从以上结
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-50nm范围内介孔率相近。从这一测试结果可以看出，孔径分布和比表面积等因素不是引起纳米复合材料气敏性能明显提高的主要原因。因此，有理由相信二者复合产生的p-n异质结和在Ni-O-Sn界面NiO与SnO2之间形成的键在提高复合材料的传感行为中起着至关重要的作用。在二者复合的界面处将形成一个空间电荷区，即所谓的耗尽层，以使p-n异质结的电荷保持平衡。耗尽层的形成会显着降低材料的初始电导率，暴露于NO2后纳米复合材料中的电子被夺取，所留下的等效空穴浓度就会增加。另一个是在暴露于NO2之前和之后，纳米复合材料中二者的接触电位会发生变化，从而对气体传感性能产生了巨大影响。文中不同摩尔比的纳米复合材料的敏感性差异表明了传感材料的敏感度对界面键数和界面电阻的依赖性，说明了异质结在提高气敏性能中的重要作用。但是，从图1-6的气敏性能测试结果能够看出，NiO与SnO2的复合虽然实现了室温响应，但相应的材料的响应恢复性能相对较差，复合之后其响应恢复时间未明显缩短，且在室温下，所有比例复合物均不能实现完全恢复。图1-5低倍及高倍SEM图像：a)，e)，i)纯NiO；b)，f)，j)NiSn31；c)，g)，k)NiSn11；d)，h)，l)NiSn13[38]图1-6a)不同传感器的响应与NO2浓度的关系；b)NiO和NiO/SnO2传感器在室温下对45ppmNO2的瞬态电响应[38]
本文编号：2955852
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见的电阻型气敏传感器
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-同时尽量降低其工作温度。图1-2各种应用于气敏传感器的半导体金属氧化物纳米材料示意图[28]近年来，纳米材料由于其独特的力学、电学、光学以及催化性质得到越来越多的应用，在气敏领域大部分的工作也都围绕其展开。相关研究表明，通过改变纳米材料的结构、形貌等能够对材料的性能进行调控[29-31]，因此许多研究人员通过改良制备时的工艺参数来对材料结构、尺寸、分布、形貌等进行控制，以提高材料的气敏性能。如T.Yamazaki[32]等采用热蒸发法分别制备了SnO2微丝、纳米线和米状纳米颗粒，如图1-3所示，a)图为合成的具有粗糙表面的微丝，其直径为2μm，长度为20μm，并且微丝呈现矩形形貌，在硅衬底表面上以不同方向（平行、垂直或倾斜）生长。图1-3b)所示的低倍FESEM图像显示该样品由许多直线和弯曲的纳米线组成，其平均长度为20μm。这些纳米线的表面很光滑，直径为50-100nm。图1-3c)显示了使用SnO2粉末作为原料制备的SnO2的大米状纳米颗粒结构，其平均粒径约为100nm。在不同温度下分别测试三种材料对2ppmNO2的响应情况，纳米颗粒结构SnO2传感器的灵敏度相对较低，并且随着工作温度升高而略有提高，在200℃时时灵敏度最高，约为5.5。使用SnO2微丝可以稍微改善传感器的响应，而使用SnO2纳米线作为敏感层则可以显著提高传感器的响应。有趣的是，SnO2纳米颗粒、微丝和纳米线传感器的最佳工作温度分别为200、100和150℃，线状结构的微丝和纳米线的最佳工作温度均比纳米颗粒要低。对于2ppmNO2气体，SnO2纳米线于150℃的工作温度下对其响应最高，所得的最高灵敏度为88。从以上结
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-50nm范围内介孔率相近。从这一测试结果可以看出，孔径分布和比表面积等因素不是引起纳米复合材料气敏性能明显提高的主要原因。因此，有理由相信二者复合产生的p-n异质结和在Ni-O-Sn界面NiO与SnO2之间形成的键在提高复合材料的传感行为中起着至关重要的作用。在二者复合的界面处将形成一个空间电荷区，即所谓的耗尽层，以使p-n异质结的电荷保持平衡。耗尽层的形成会显着降低材料的初始电导率，暴露于NO2后纳米复合材料中的电子被夺取，所留下的等效空穴浓度就会增加。另一个是在暴露于NO2之前和之后，纳米复合材料中二者的接触电位会发生变化，从而对气体传感性能产生了巨大影响。文中不同摩尔比的纳米复合材料的敏感性差异表明了传感材料的敏感度对界面键数和界面电阻的依赖性，说明了异质结在提高气敏性能中的重要作用。但是，从图1-6的气敏性能测试结果能够看出，NiO与SnO2的复合虽然实现了室温响应，但相应的材料的响应恢复性能相对较差，复合之后其响应恢复时间未明显缩短，且在室温下，所有比例复合物均不能实现完全恢复。图1-5低倍及高倍SEM图像：a)，e)，i)纯NiO；b)，f)，j)NiSn31；c)，g)，k)NiSn11；d)，h)，l)NiSn13[38]图1-6a)不同传感器的响应与NO2浓度的关系；b)NiO和NiO/SnO2传感器在室温下对45ppmNO2的瞬态电响应[38]
本文编号：2955852
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