纳米氧化锌—聚合物复合薄膜气体传感器的研究

发布时间：2019-01-16 00:12

【摘要】：近几十年,无机金属氧化物材料如ZnO在气体检测领域运用得到了深入研究,这类材料气敏响应性能优异、价格低廉且可以与微电子电路兼容。但基于金属氧化物半导体材料的传感器往往需要安装额外加热装置,无法用于易燃气体的检测,同时选择性也较差,这些缺陷极大限制了其广泛使用。聚合物材料如PANI(聚苯胺)等用于气体检测时可工作在室温条件下。在制备PANI材料过程中使用掺杂、改性等手段,可以灵活调节聚合物的气敏性能,使其可以仅仅对特定气体具有良好的响应。本文主要思路是通过将无机金属氧化物半导体材料与聚合物结合,合成复合材料,制备纳米复合敏感薄膜,最大程度发挥两种材料之间的协同作用、纳米尺度下表面效应等,克服固有缺陷,降低器件工作温度,尽可能优化对检测对象的敏感特性,改进对特定气体的选择性。此外,文章也使用紫外光照射手段改善金属氧化物半导体、复合薄膜室温气敏性能。主要研究了所制备敏感薄膜室温下的NH_3、NO_2敏感特性,使用SEM、XRD、UV-vis、FT-IR等手段表征分析本文所制备敏感材料的表面形貌、内在微观结构,为气敏性能改善提供有力支撑。(1)首先,本文用简单的一步水热法在洁净叉指电极上制备ZnO纳米棒阵列,用喷涂法将PANI分散液沉积在ZnO薄膜表面,制备ZnO-PANI纳米复合薄膜,研究薄膜室温NH_3敏感特性。同时,使用喷涂法沉积单层ZnO、PANI薄膜,测试、对比、分析各薄膜传感器的气敏响应。其次,改变纳米棒水热生长时间,对比分析不同形貌、结构对复合薄膜气敏性能的影响。最后,进一步探索复合薄膜对多种干扰对象的响应情况。研究结果表明,六方纤锌矿ZnO纳米棒垂直生长在基片表面,纳米棒之间相互接触连接且存在一些纳米尺度缝隙,红外光谱表明ZnO与PANI之间有一定相互作用。ZnO-PANI薄膜和PANI薄膜接触NH_3后电阻均增加,由于纳米棒比表面积极大,可以提供充足的吸附位点,同时有机无机材料之间形成p-n结,降低了气体吸附所需活化能,所以前者对NH_3气敏响应更为出色。随着水热时间增加,纳米棒垂直高度显著增加。纳米棒阵列表面平整度变差,缝隙变大,更易于气体分子扩散,复合薄膜对NH_3的灵敏度得以提升。水热时间每增加1.5 h,灵敏度增加10%。(2)本文又以ZnO纳米颗粒为敏感材料,制备ZnO纳米薄膜,探究了薄膜在紫外光照射下NO_2敏感特性。其次,加入PANI材料,制备不同结构、不同参数条件的ZnO-PANI复合薄膜,研究所用工艺条件对器件性能的影响,确定最佳结构、参数。然后,测试最佳参数条件敏感薄膜对多种干扰气体响应,评估期器件选择性。最后,提出紫外光增强NO_2传感器的敏感机理。研究结果表明,紫外光激发可以增加ZnO材料中的载流子浓度,改善敏感材料表面活性,使其获得良好室温NO_2气敏表现。对于纯ZnO薄膜而言,随着沉积量增加,纳米粒子出现团聚,无法充分吸收紫外光,气敏响应值出现一定程度下降。ZnO-PANI复合薄膜综合了ZnO和PANI材料的优势,在获得良好气敏响应同时降低基线漂移。保持敏感材料使用量相同,电阻值大小合适的PANI-ZnO分层结构薄膜的气敏性能最佳。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】