纳米半导体氧化物VOC气体传感器研究

发布时间：2017-12-09 03:16

  本文关键词：纳米半导体氧化物VOC气体传感器研究

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【摘要】：三维反蛋白石结构(3DIO)是一种特殊有序结构的多孔纳米材料,具有独特的物理性质和潜在的应用价值,近年来受到了国内外科研工作者的广泛关注,已成为材料领域的热点研究方向之一。3DIO材料理论孔隙率高达74%,可以为气敏传感提供众多的活性位点;同时,三维有序结构有利于电子的传输。基于3DIO材料特殊的结构性质,我们构筑了一些新型的氧化物半导体气体传感器件,系统研究发现3DIO材料具有非常优异的气敏传感性能,尤其是对挥发性有机化合物(VOC)目标气体的检测可达10ppb的量级。例如:3DIO SnO_2材料气敏元件对甲醛气体表现出非常好的选择性,同时具有极低的检测下限(10 ppb);改进后的3DIO In_2O_3材料气敏元件对丙酮气体的检测下限可达15 ppb,并且表现出非常好的抗湿度干扰性。VOC气体不仅广泛存在于我们日常生活环境之中,而且存在于人体的呼出气体之中。近年来,临床研究发现某些人体呼出气体中的VOC气体能够作为反映人体健康状态的特征标志物。例如:糖尿病患者呼出气体中的丙酮气体含量均大于1.8 ppm,而普通健康个体的则只有0.3-0.9 ppm。现有糖尿病的检测方法普遍具有创伤性,因此开发一种新型的无创性、非侵入式的诊断方法已成为迫切的需要。考虑到人体呼出气体环境是一个高湿度的环境,我们在普通VOC气体检测的基础之上,不仅对3DIO气敏元件在高湿度环境下的气敏性能进行了系统研究,而且通过去湿度使气敏元件的敏感性能大幅提高。在此基础上,我们进一步将3DIO材料气敏元件应用于实际的糖尿病临床检测,取得了良好的效果。本论文的创新成果如下:(1)制备了具有不同大孔尺寸(分别为140 nm、270 nm和400 nm)的3DIO SnO_2材料,并系统研究了不同大孔3DIO SnO_2材料的甲醛气体气敏传感性能,发现3DIO SnO_2材料气敏元件同参考样品相比具有更优异的传感性能,孔尺寸的增大有助于灵敏度的提高。最优气敏元件对甲醛气体的检测下限可达10 ppb,远远低于国家要求的标准(60 ppb);对100 ppm甲醛气体的灵敏度高达629,相较参比样品约提升了35倍。(2)首次制备了具有via-holes结构的3DIO In_2O_3-CuO材料,并系统研究了不同Cu/In掺杂对3DIO材料气敏传感性能的影响。研究发现,Cu O的掺杂使3DIO In_2O_3基气敏元件的最佳工作温度由400°C降至370°C,气敏灵敏度约增大2倍。高湿度环境下气敏传感测试表明:相较空气环境中的检测,由于高湿度环境中湿气的影响气敏灵敏度有所提高。但是,高湿度环境下气敏元件灵敏度与浓度的线性斜率与环境空气中的线性斜率基本相同,说明此种结构的气敏元件具有在高湿度环境下有效检测VOC气体的能力。(3)制备了不同大孔尺寸具有via-holes结构的3DIO In_2O_3材料,并在其表面修饰了不同量的Au NPs。研究结果表明,大孔尺寸为180 nm和420 nm的3DIO In_2O_3气敏元件对5 ppm丙酮气体的气敏灵敏度分别为5.6和6.3,Au NPs修饰的气敏元件的灵敏度均高于纯的3DIO In_2O_3气敏元件,最优元件灵敏度高达42.4,并且元件最佳工作温度随Au NPs修饰量的增大逐步降低。临床呼出气体检测表明,3DIO In_2O_3气敏元件能够有效地将健康个体与糖尿病患者区分开来。(4)制备了In_2O_3/Au NRs核壳纳米材料与气体传感器。该类元件具有双功能VOC传感特性:在工作温度250°C时可对丙酮气体进行检测,而在400°C时可对乙醇气体进行探测。在各自最佳工作温度下,对丙酮和乙醇气体的实际检测下限分别为100 ppb和50 ppb。临床呼出气体检测结果表明,工作温度250°C时,最优气敏元件能够有效的区分开健康个体与糖尿病患者;400°C时,能够有效记录饮酒志愿者呼出气体中的乙醇代谢程度。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
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本文编号：1268880