氧化铁半导体气敏传感器的制备及其性能研究

发布时间：2017-06-16 10:01

  本文关键词：氧化铁半导体气敏传感器的制备及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于金属氧化物半导体材料的气敏传感器由于其制造成本低、材料来源丰富等优点已经逐渐取代了传统基于电解质溶液的气体传感器。本文以铁基氧化物作为研究对象,利用水热反应法,通过控制实验过程中的反应物的摩尔比例、合成温度和合成时间,制备了分散性和均匀性良好的α-Fe_2O_3纳米颗粒,并以该α-Fe_2O_3纳米颗粒作为传感器的敏感介质制作半导体气敏传感元件,采用静态配气法测试了在不同工作环境下传感器对大气中常见污染物(H_2S和NH_3)的气敏特性,最后结合能带理论详细论证的传感器的气敏响应机制。本文的主要研究内容分为以下三部分:1)利用水热法和热处理工艺相结合的方法制备α-Fe_2O_3纳米颗粒。并以此作为传感器的敏感介质,利用旋转镀膜的方法在陶瓷管上均匀涂覆一层α-Fe_2O_3薄膜制备完整的传感器元件,利用WS-30A气敏测试系统研究该传感器在不同的工作温度条件下对H_2S气体的响应情况,确定传感器的最佳工作温度为300 oC。研究在最佳工作温度下传感器的最低检测浓度、重复性、长期稳定性以及响应-恢复时间。研究结果表明传感器在300 oC下,检测阈值为50 ppb,响应-恢复时间分别低于30 s和5 s,优于目前国内外报道的纯相α-Fe_2O_3气体传感器对H_2S的检测性能。2)在第一部分的基础上,通过改进水热反应的反应条件,选择尿素作为还原剂,十六烷基磺酸钠作为络合剂,在90 oC水热条件辅以500 oC的退火条件合成了具有多孔结构的α-Fe_2O_3纳米颗粒,利用X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析了传感器敏感介质在H_2S气氛中和空气中元素和化学键的变化情况。利用旋转镀膜的方法在陶瓷管上均匀涂覆一层α-Fe_2O_3敏感膜制备传感器元件,并在室温下对传感器的气敏性能进行分析。气敏性能研究结果表明,在室温下,传感器对H_2S气体具有很好的气敏性,其对100 ppm的H_2S气体响应度达到38.4,最低检测浓度达到50 ppb。此外,在多种干扰气体同时存在的复杂气体环境下,该传感器表现出优异的抗干扰能力。3)综合以上两个实验的合成条件,通过改变水热反应过程中尿素和乙醇胺的摩尔浓度、配比以及合成温度和时间,成功合成出具备良好的均匀性和分散性的α-Fe_2O_3纳米颗粒,XRD表征结果表明通过水热反应得到的是α-FeOOH和α-Fe_2O_3 两相组成的混合产物,经过高温热处理后,α-FeOOH全部转化为α-Fe_2O_3,最后,以α-Fe_2O_3纳米颗粒作为敏感介质,研究传感器在室温下对常见有毒有害气体的响应情况,结果表明,该传感器在室温下仅对氨气具有明显的气敏性,其检测阈值低至1 ppm,且对其他干扰气体表现出很好的选择性。
【关键词】：α-Fe_2O_3 纳米材料 气体传感器 水热法 硫化氢 氨气
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;O614.811
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 引言11
• 1.2 金属氧化物半导体气敏传感器概述11-15
• 1.2.1 金属氧化物半导体气敏传感器定义11
• 1.2.2 金属氧化物气敏传感器的结构及测试电路11-14
• 1.2.3 金属氧化物半导体气敏传感器的主要特性参数14-15
• 1.3 Fe_2O_3纳米材料概述15-19
• 1.3.1 Fe_2O_3的基本性质15-16
• 1.3.2 Fe_2O_3纳米材料的制备方法16-18
• 1.3.3 Fe_2O_3纳米材料的应用18-19
• 1.4 Fe_2O_3气敏传感器概述19-22
• 1.4.1 Fe_2O_3气敏传感器的研究现状19-21
• 1.4.2 Fe_2O_3气敏传感器的响应机制21
• 1.4.3 Fe_2O_3气敏传感器存在的问题和发展方向21-22
• 1.5 本课题的研究内容22-23
• 1.6 本论文的创新性23-24
• 第二章 α-Fe_2O_3纳米颗粒的制备以及在不同工作温度下的气敏性研究24-40
• 2.1 敏感材料的制备过程24-25
• 2.1.1 实验原材料24
• 2.1.2 材料制备过程24-25
• 2.2 材料表征25-28
• 2.2.1 结构表征25-27
• 2.2.2 形貌表征27-28
• 2.3 气敏性能研究28-37
• 2.3.1 不同工作温度条件下敏感元件的伏安特性曲线28-29
• 2.3.2 不同工作温度条件下传感器的响应-恢复现象分析29-33
• 2.3.3 最佳工作温度条件下的气敏性能研究33-37
• 2.4 气敏反应机理研究37-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 孔状 α-Fe_2O_3纳米颗粒制备及室温下气敏性研究40-56
• 3.1 实验部分40-41
• 3.1.1 实验原材料40
• 3.1.2 材料制备过程40-41
• 3.2 材料表征41-47
• 3.2.1 结构表征41-42
• 3.2.2 形貌表征42-44
• 3.2.3 元素分析44-47
• 3.3 传感器的电学性能研究47
• 3.4 传感器的气敏性能研究47-52
• 3.5 气敏反应机理研究52-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第四章 基于 α-Fe_2O_3纳米颗粒的氨气传感器制备及性能研究56-66
• 4.1 α-Fe_2O_3纳米颗粒的制备56-57
• 4.1.1 实验使用试剂56
• 4.1.2 材料合成过程56-57
• 4.2 材料表征57-59
• 4.2.1 结构表征57-58
• 4.2.2 形貌表征58-59
• 4.3 传感器电学性能研究59
• 4.4 传感器气敏性能研究59-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第五章 全文总结与展望66-68
• 5.1 全文总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-75
• 攻读硕士学位期间发表论文及奖励情况75-76
• (Ⅰ) 攻读硕士学位期间发表论文75
• (Ⅱ) 获得奖励75-76

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