ZnO微结构的合成、表面改性及其气敏性研究

发布时间：2019-12-06 03:28

【摘要】：ZnO是一种禁带宽度为3.37eV的n型半导体氧化物，具有良好的电子迁移率和化学稳定性。近年来，基于ZnO气体传感器的研究引起了广大研究者的关注，并且通过贵金属元素掺杂改善传感器的气敏特性具有极其重要的作用，成为ZnO气体传感器研究的重点。本文采用水热法制备ZnO微结构，并通过贵金属氧化物进行修饰改性进而改善ZnO的气敏特性。利用SEM、EDS、XRD和XPS对材料的形貌、结构进行表征，采用CGS-1TP进行气敏性能测试，通过分析得出以下结论：（1）利用水热法合成了棒状ZnO微结构，研究表明该ZnO为六方纤锌矿结构。气敏测试结果表明，该传感器的最佳工作电压为5V，200ppm甲烷的灵敏度为55.4%，最低检测极限为1ppm。（2）不同浓度（0.1，0.25，0.5和1.0wt%）的Pd元素对棒状ZnO微结构进行掺杂，表征结果显示，其微结构的形貌没有明显的变化。无水乙醇气敏测试结果表明：掺杂量为0.25wt%的传感器的气敏特性最佳，其在工作温度和响应/恢复时间（分别为325℃和10/7s）方面明显优于纯ZnO气体传感器（分别为400℃和17/24s）。（3）采用二步水热合成法实现了不同浓度（0，0.5，1.0，3.0和5.0wt%）Co元素对花状ZnO微结构的掺杂，表征结果显示，，掺杂后其形貌发生了明显的变化。气敏测试结果表明：Co掺杂的ZnO传感器相较于CO和H2对甲烷具有最佳的选择性，当Co的含量为1.0wt%时，器件的最佳工作温度为140℃，对甲烷的最高灵敏度为3.55，响应恢复时间分别为19s和27s，且其检测下限达到了0.05ppm。（4）分析传感器的气敏机理，可知：异质结的形成能够促使氧分子的解离，加速了载流子的移动速度，拓宽耗尽层的宽度，增强元件的气敏性能，只有合适浓度的贵金属掺杂才能最大限度的优化气体传感器的特性。
【图文】：

形貌,纳米,敏感材料,制备方法

太原理工大学硕士研究生学位论文 ZnO 的特性及制备方法.1 ZnO 物理性质氧化锌（ZnO）是由Ⅱ族元素 Zn 和Ⅵ族元素 O 化合而成的直接带隙族 n 型半导体，室温下的禁带宽度为 3.37 eV，激子结合能高达 60 meV，且化学性质相对稳定，已经广泛应用于压电敏感材料、气体敏感材料、湿度敏感材料、太阳能电池和紫外器等领域，是一种无毒、价格低廉、很有应用前景的半导体金属氧化物敏感材料。，人们已经研制出了不同维数、不同形貌的 ZnO 结构，如图 1-1，纳米线[6]、纳米[7]、纳米弹簧[8]、纳米片[9]、纳米球[10]、纳米花[11]等，不同的形貌往往会影响其性优异性，因此，其制备方法和性能分析成为了人们研究的热点。

岩盐矿,纤锌矿,氧原子,闪锌矿

a b 0.3249nm， c 0.5206nm[13]。在纤锌矿结构中，每个锌原子与 4 个氧原子构成了锌氧四面体，ZnO 特殊的晶体结构使其形成了正负电荷分离的极化晶面，即带荷锌离子占据（0001）正极性面，带负电荷的氧离子占据（ 000 1）负极性面，在个极性面的共同作用下使得制备的 ZnO 出现沿 c 轴择优取向生长的现象[14]。表 1-2 ZnO 的基本物理特性Table 1-2 Basic physical properties of ZnO物理属性参数值物理属性参数值晶格常数 (a，c/nm) 0.325，0.520 介电常数 (ε) 8.656禁带宽度 (Eg/eV) 3.37 本证载流子浓度 (n /cm-3) <106激子束缚能 (E/meV) 60 电子有效质量 (me*/ m0) 0.24密度 (ρ/(g·cm-3) 5.606 空穴有效质量 (mh*/ m0) 0.29熔点 (t/℃) 1975 电阻率 (ρ/Ω·cm) 1012
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.21

【共引文献】