静电纺丝技术制备金属氧化物分级结构及其气敏性能研究
发布时间：2021-07-03 02:01
本论文通过一步静电纺丝技术结合后续的煅烧过程,合成了一系列形貌特殊、尺寸可控、性能优异的金属氧化物分级结构及其复合材料,包括表面原位生长颗粒的SnO2基纤维分级结构、表面原位生长颗粒的WO3/ZnWO4纤维分级结构、表面原位生长八面体状颗粒的In2O3纤维分级结构、以及由单晶八面体颗粒和多晶纤维组成的In2O3分级结构,用于乙醇、甲醛（HCHO）和三乙胺（TEA）等气敏传感研究。本论文所得材料展示出高选择性、高响应值、高稳定性的气敏性能,在化妆品质量评估、室内空气净化检测以及食品安全储存等领域具有潜在的应用价值。本论文的具体研究内容如下:1、通过一步静电纺丝技术结合后续的煅烧过程,制备了表面原位生长颗粒的SnO2纤维分级结构。通过引入Zn组分进一步优化分级结构的形态和相组成,合成了SnO2/ZnO分级结构。气敏性能测试表明,与SnO2多孔纤维（13.2）和SnO
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）n型和（b）p型金属氧化物半导体的表面空间电荷模型[4]
静电纺丝技术制备金属氧化物分级结构及其气敏性能研究4成空穴累积层，如图1.1（b）所示[12]。由于n型和p型氧化物半导体表面中参与反应的主导电荷载体不同，显示出不同的气体传感行为，这些行为已在表1.1中列出。以n型半导体SnO2为例。在空气中，SnO2价带中的电子被氧分子捕获并电离，从而形成电子耗尽层，材料具有较高的电阻。如果在这种情况下引入一种还原性气体，则电离的氧物种将与气体发生反应，被捕获的电子将释放回去，从而导致材料电阻降低。当再次接触到氧气分子时，该材料将被进一步氧化。电子耗尽层的厚度以及材料的电阻又重新增加。1.1.2.2晶粒界面势垒模型图1.2n型金属氧化物半导体的晶界势垒示意图[13]气敏传感机理可对应于同质结所表现出的晶界依赖性现象，如图1.2所示。两个相邻纳米颗粒之间存在许多同质结，在空气中，氧分子通过纳米颗粒扩散并完全覆盖晶界。吸附在纳米颗粒表面上的氧分子从纳米颗粒中提取电子，并在相邻的纳米颗粒之间形成势垒[14]。在每个晶界处建立的势垒限制了电子通过纳米颗粒的流动，潜在势垒的高度在不同的气体环境中发生变化。晶界势垒越大，材料的电阻越大。如果引入还原性气体（如HCHO），这些气体分子将与吸附的氧物种发生反应，并且被吸附氧捕获的电子重新注入导带，能够降低势垒的高度，从而导致气敏材料的电阻显著降低，根据电阻的变化可检测气体的成分及浓度等。对于P型半导体的气敏传感机理与n型恰好相反。除了以上两种常用的模型，金属氧化物半导体气敏传感机理模型还有多种，如颈状模型、表面缺陷模型等。分析金属氧化物传感机理时，不能仅仅局限于一种模型，应综合考虑。
济南大学硕士学位论文51.1.3金属氧化物气敏材料的气敏性能增强方法图1.3金属氧化物半导体气敏性能的影响因素[15]氧化物半导体气敏性能主要受识别功能、转换功能和气体利用率的影响，如图1.3所示。其中，识别功能涉及氧化物表面与目标气体相互作用的能力，通常与氧化物本身的表面氧的化学性质相关，如表面的酸碱性、材料的氧化还原特性和比表面积等[16]；转换功能指的是所用气敏材料将待测气体的浓度信号转变为电阻信号的能力，通常与气敏材料的晶粒尺寸、结晶性、载流子的迁移率密切相关[15]；气体利用率通常与气敏材料的多孔性、材料的分散性密切相关。在上述传感理论的指引下，通常采用以下几种方法改善氧化物半导体材料的气敏性能：（1）气敏材料的合成设计方面图1.4分级SnO2纳米结构的形态及气敏响应[17]科研人员专注于构筑独特形貌、丰富的表面态及优异电子传输的金属氧化物气敏材料。如图1.4所示，Guo等人通过简便的一步水热法合成了组装有超薄梭形纳米片的SnO2分级结构，其对100ppm丙酮的响应最高可达175，气敏增强机理可归因于在热解重结晶过程中，锥形分级纳米结构形成了更活跃的表面缺陷。这种表面工程策略可以扩展到
【参考文献】：
博士论文
[1]基于一维氧化物半导体的气体传感器研究[D]. 郭兰兰.吉林大学 2019
[2]金属氧化物半导体纳米材料的制备及其气敏传感性能的研究[D]. 张子悦.浙江大学 2018
硕士论文
[1]静电纺丝法制备一维金属复合氧化物纳米材料及其气敏性研究[D]. 干正强.安徽工业大学 2018
[2]In2O3基一维纳米材料的结构设计及其器件应用[D]. 廉红伟.吉林大学 2018
本文编号：3261634
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）n型和（b）p型金属氧化物半导体的表面空间电荷模型[4]
静电纺丝技术制备金属氧化物分级结构及其气敏性能研究4成空穴累积层，如图1.1（b）所示[12]。由于n型和p型氧化物半导体表面中参与反应的主导电荷载体不同，显示出不同的气体传感行为，这些行为已在表1.1中列出。以n型半导体SnO2为例。在空气中，SnO2价带中的电子被氧分子捕获并电离，从而形成电子耗尽层，材料具有较高的电阻。如果在这种情况下引入一种还原性气体，则电离的氧物种将与气体发生反应，被捕获的电子将释放回去，从而导致材料电阻降低。当再次接触到氧气分子时，该材料将被进一步氧化。电子耗尽层的厚度以及材料的电阻又重新增加。1.1.2.2晶粒界面势垒模型图1.2n型金属氧化物半导体的晶界势垒示意图[13]气敏传感机理可对应于同质结所表现出的晶界依赖性现象，如图1.2所示。两个相邻纳米颗粒之间存在许多同质结，在空气中，氧分子通过纳米颗粒扩散并完全覆盖晶界。吸附在纳米颗粒表面上的氧分子从纳米颗粒中提取电子，并在相邻的纳米颗粒之间形成势垒[14]。在每个晶界处建立的势垒限制了电子通过纳米颗粒的流动，潜在势垒的高度在不同的气体环境中发生变化。晶界势垒越大，材料的电阻越大。如果引入还原性气体（如HCHO），这些气体分子将与吸附的氧物种发生反应，并且被吸附氧捕获的电子重新注入导带，能够降低势垒的高度，从而导致气敏材料的电阻显著降低，根据电阻的变化可检测气体的成分及浓度等。对于P型半导体的气敏传感机理与n型恰好相反。除了以上两种常用的模型，金属氧化物半导体气敏传感机理模型还有多种，如颈状模型、表面缺陷模型等。分析金属氧化物传感机理时，不能仅仅局限于一种模型，应综合考虑。
济南大学硕士学位论文51.1.3金属氧化物气敏材料的气敏性能增强方法图1.3金属氧化物半导体气敏性能的影响因素[15]氧化物半导体气敏性能主要受识别功能、转换功能和气体利用率的影响，如图1.3所示。其中，识别功能涉及氧化物表面与目标气体相互作用的能力，通常与氧化物本身的表面氧的化学性质相关，如表面的酸碱性、材料的氧化还原特性和比表面积等[16]；转换功能指的是所用气敏材料将待测气体的浓度信号转变为电阻信号的能力，通常与气敏材料的晶粒尺寸、结晶性、载流子的迁移率密切相关[15]；气体利用率通常与气敏材料的多孔性、材料的分散性密切相关。在上述传感理论的指引下，通常采用以下几种方法改善氧化物半导体材料的气敏性能：（1）气敏材料的合成设计方面图1.4分级SnO2纳米结构的形态及气敏响应[17]科研人员专注于构筑独特形貌、丰富的表面态及优异电子传输的金属氧化物气敏材料。如图1.4所示，Guo等人通过简便的一步水热法合成了组装有超薄梭形纳米片的SnO2分级结构，其对100ppm丙酮的响应最高可达175，气敏增强机理可归因于在热解重结晶过程中，锥形分级纳米结构形成了更活跃的表面缺陷。这种表面工程策略可以扩展到
【参考文献】：
博士论文
[1]基于一维氧化物半导体的气体传感器研究[D]. 郭兰兰.吉林大学 2019
[2]金属氧化物半导体纳米材料的制备及其气敏传感性能的研究[D]. 张子悦.浙江大学 2018
硕士论文
[1]静电纺丝法制备一维金属复合氧化物纳米材料及其气敏性研究[D]. 干正强.安徽工业大学 2018
[2]In2O3基一维纳米材料的结构设计及其器件应用[D]. 廉红伟.吉林大学 2018
本文编号：3261634
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