外电场极化对纳米氧化锌结构性能的影响
发布时间：2021-04-17 13:54
提高气体选择性是半导体金属氧化物气敏材料研究的关键问题。本文采用微波法制备了纳米ZnO,进一步对其进行了外电场极化处理,研究极化效应对纳米氧化锌性能的影响规律及机制。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）及拉曼光谱仪（Raman）对产物的结构、微观形貌、拉曼活性等进行了表征,测定了其在乙醇、丙酮气氛中的气敏特性。结果表明,外电场极化导致ZnO在438cm-1处的拉曼特征峰强度明显降低。随着极化时间延长,纳米ZnO气敏元件在丙酮气体中的灵敏度逐渐升高,在乙醇气体中的灵敏度逐渐降低,外电场极化提高了纳米ZnO对乙醇和丙酮气体的选择性。
【文章来源】：材料科学与工程学报. 2020,38(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同极化时间纳米ZnO的灵敏度/浓度曲线（a）丙酮和（b）乙醇
图5 不同极化时间纳米ZnO的灵敏度/浓度曲线（a）丙酮和（b）乙醇由于ZnO是一种n型半导体材料，当氧原子或分子吸附于晶体表面时，它从纳米ZnO晶体中夺得电子而带负电形成O-，所以纳米ZnO表面空间电荷层中自由电子数量降低，导电能力下降，因此元件电阻升高[15]。当气敏元件处于还原性气氛（丙酮、乙醇）中时，待测气体分子和O-产生反应，使之前被俘获的电子得到释放，自由电子数增加，材料电阻降低。Tian[4]等的研究中，Zn-O键表现出特征拉伸，样品对乙醇的灵敏度提高。本研究中，可能是Zn-O键变短，导致样品对乙醇的灵敏度呈降低趋势。关于这点还需要进一步的实验证实，但外加电场对ZnO电子特性有着明显影响是确凿的。ZnO是极性分子，外部电场作用下产生的极化效应的实质是微观上各种极化机制的协同作用，包括电子的极化，离子的极化、电偶极子取向极化等[24]。由于空位的存在，电场可以导致离子位置的跃迁，离子在电场作用下的运动会产生感应偶极矩，即离子间的键合会被拉长或者缩短。外电场作用下，晶体中不同电性的缺陷，如氧空位、锌间隙原子带正电，会向阴极运动；锌空位、氧间隙原子带负电，会向阳极运动。缺陷迁移与气敏性能之间的关系仍需深入研究。
将获得的纳米ZnO粉末充分研磨后，称量0.4g，在8MPa压力下保持30s，得到直径为13mm、厚度为0.8mm的圆片，在150℃下干燥2h。在30℃下，将样品在ET2673D-4型高压极化仪上进行极化处理，极化装置如图1所示。用一对平行高纯铝板（直径13mm，厚度1mm）连接直流电源来提供电场，采用的外电场强度为75kV/cm，极化时间分别取0、1、3、5h。2.2 纳米氧化锌的表征
【参考文献】：
期刊论文
[1]外电场极化对纳米氧化锌拉曼活性及气敏性能的影响[J]. 李酽,李娇,陈丽丽,连晓雪,朱俊武. 物理学报. 2018(14)
[2]外电场作用下ZnO分子的结构特性研究[J]. 安跃华,熊必涛,邢云,申婧翔,李培刚,朱志艳,唐为华. 物理学报. 2013(07)
[3]ZnO分子结构和发光特性[J]. 王秋云,谢安东,朱正和. 原子与分子物理学报. 2006(06)
博士论文
[1]氧化锌基半导体材料的拉曼光谱研究[D]. 孔晋芳.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]外电场极化对纳米氧化锌结构与性能的影响[D]. 李娇.中国民航大学 2019
[2]SnO2/ZnO基气敏材料制备及性能研究[D]. 赵方贤.中国民航大学 2017
本文编号：3143566
【文章来源】：材料科学与工程学报. 2020,38(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同极化时间纳米ZnO的灵敏度/浓度曲线（a）丙酮和（b）乙醇
图5 不同极化时间纳米ZnO的灵敏度/浓度曲线（a）丙酮和（b）乙醇由于ZnO是一种n型半导体材料，当氧原子或分子吸附于晶体表面时，它从纳米ZnO晶体中夺得电子而带负电形成O-，所以纳米ZnO表面空间电荷层中自由电子数量降低，导电能力下降，因此元件电阻升高[15]。当气敏元件处于还原性气氛（丙酮、乙醇）中时，待测气体分子和O-产生反应，使之前被俘获的电子得到释放，自由电子数增加，材料电阻降低。Tian[4]等的研究中，Zn-O键表现出特征拉伸，样品对乙醇的灵敏度提高。本研究中，可能是Zn-O键变短，导致样品对乙醇的灵敏度呈降低趋势。关于这点还需要进一步的实验证实，但外加电场对ZnO电子特性有着明显影响是确凿的。ZnO是极性分子，外部电场作用下产生的极化效应的实质是微观上各种极化机制的协同作用，包括电子的极化，离子的极化、电偶极子取向极化等[24]。由于空位的存在，电场可以导致离子位置的跃迁，离子在电场作用下的运动会产生感应偶极矩，即离子间的键合会被拉长或者缩短。外电场作用下，晶体中不同电性的缺陷，如氧空位、锌间隙原子带正电，会向阴极运动；锌空位、氧间隙原子带负电，会向阳极运动。缺陷迁移与气敏性能之间的关系仍需深入研究。
将获得的纳米ZnO粉末充分研磨后，称量0.4g，在8MPa压力下保持30s，得到直径为13mm、厚度为0.8mm的圆片，在150℃下干燥2h。在30℃下，将样品在ET2673D-4型高压极化仪上进行极化处理，极化装置如图1所示。用一对平行高纯铝板（直径13mm，厚度1mm）连接直流电源来提供电场，采用的外电场强度为75kV/cm，极化时间分别取0、1、3、5h。2.2 纳米氧化锌的表征
【参考文献】：
期刊论文
[1]外电场极化对纳米氧化锌拉曼活性及气敏性能的影响[J]. 李酽,李娇,陈丽丽,连晓雪,朱俊武. 物理学报. 2018(14)
[2]外电场作用下ZnO分子的结构特性研究[J]. 安跃华,熊必涛,邢云,申婧翔,李培刚,朱志艳,唐为华. 物理学报. 2013(07)
[3]ZnO分子结构和发光特性[J]. 王秋云,谢安东,朱正和. 原子与分子物理学报. 2006(06)
博士论文
[1]氧化锌基半导体材料的拉曼光谱研究[D]. 孔晋芳.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]外电场极化对纳米氧化锌结构与性能的影响[D]. 李娇.中国民航大学 2019
[2]SnO2/ZnO基气敏材料制备及性能研究[D]. 赵方贤.中国民航大学 2017
本文编号：3143566
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3143566.html
