ZnO:Cd纳米棒阵列光学氢敏性能研究

发布时间：2018-01-03 16:25

  本文关键词：ZnO:Cd纳米棒阵列光学氢敏性能研究　出处：《重庆师范大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：氢气是目前公认的具发展潜力的可再生绿色能源,但氢气的提取,运输和储存也存在巨大的安全隐患,因此对氢气泄露的监测是氢能研究开发领域的一个主要课题,而其中最重要的就是室温氢气气敏传感器的研发。在氢敏材料研究领域,已有研究发现贵金属(Pd、Pt)掺杂ZnO能增强传感器的性能,一维ZnO纳米材料也有良好的氢敏性能,但它们大都为电阻型气敏传感器,且其工作温度都在150℃以上。我们实验室前期研究发现一维ZnO:Cd纳米材料不仅稳定性好,且工作温度可降低到80℃。本研究旨在前期研究的基础上改进材料及器件结构,探索室温下非加电光学氢敏传感器的实现。本文采用两步法制备ZnO纳米棒阵列,其中磁控溅射法用于制备厚度约为50nm的ZnO种子层,低温水热法用于制备ZnO:Cd纳米棒阵列,通过控制Cd在ZnO中的掺杂含量和材料的生长时间调整纳米棒的直径和长度。Cd的掺杂浓度分别为0%,2%,4%,6%,生长时间调控分别为0.5h,1h,2h,3h。采用XRD,SEM,分光光度计分别对其晶体结构,表面形貌,光学性能进行了分析研究,并将ZnO:Cd纳米棒阵列制备成光学气敏传感器(18mm×18mm×4mm),对其光学氢敏性能进行了测试分析。XRD及SEM分析表明生长为2小时的不同掺杂浓度的ZnO:Cd纳米材料为定向生长的纳米棒阵列,所有薄膜都由纵向生长的纳米棒组成,其中2%Cd掺杂ZnO:Cd(记做ZnO:Cd-2)纳米棒阵列的纳米棒尺寸最小,比表面积最大,纳米棒阵列棒间分布间隙最大。在通过改变ZnO:Cd-2的生长时间来调控纳米棒的研究中发现,纳米棒随生长时间的增加基本呈线性增长,但纳米棒直径随生长时间变化较小。研究表明,通过控制Cd的掺杂浓度,可以抑制ZnO纳米棒的水平生长。透过率测试表明所有样品在450nm到800nm之间的透过率都达到60%以上,其中Cd掺杂浓度为2%的ZnO透过率最大。对基于ZnO:Cd纳米棒阵列制备的氢敏传感器测试研究中,不同Cd掺杂浓度器件对500ppm氢气的光学气敏灵敏度测试结果表明,基于ZnO:Cd-2纳米棒阵列的传感器光学灵敏度最大;在工作波长为480nm下通入500ppm H2,测试了ZnO:Cd-2基传感器的响应恢复曲线,经计算其灵敏度,响应时间和恢复时间分别为60%,17s和15s,表明其有良好的光学氢敏性能。进一步降低测试气体浓度,得到该传感器能有效检测氢气的最低浓度为100ppm,其灵敏度为20%,响应时间为16s。最后我们对其光学气敏机理进行了分析探讨。本研究中所有氢敏性能测试均在室温下进行,与前人的研究相比灵敏度有所提高,对实际的应用提供了一种实际可行的途径。
[Abstract]:Hydrogen is currently recognized as a renewable green energy with potential development, but the extraction, transportation and storage of hydrogen also have huge security risks. Therefore, the monitoring of hydrogen leakage is a major topic in the field of hydrogen energy research and development, and the most important one is the research and development of room temperature hydrogen gas sensor. It has been found that ZnO doped with noble metal can enhance the performance of sensors. One-dimensional ZnO nanomaterials also have good hydrogen sensitivity, but most of them are resistive gas sensors. And its working temperature is above 150 鈩，

本文编号：1374679