基于氧化物半导体及其异质结构的气体传感器研究

发布时间：2018-03-27 09:05

  本文选题：气体传感器　切入点：氧化物半导体　出处：《吉林大学》2016年博士论文

【摘要】：本文主要以构筑高性能气体传感器为目标,结合目前半导体气体传感器的研究现状和发展形势,按照敏感材料的设计制备、结构表征、性能研究和理论探索的研究思路,在半导体氧化物的结构优化、修饰改性、异质结构复合等方面比较系统地开展了研究工作。首先,利用微波水热法制备了In2O3分等级结构以及Zn O核壳结构,并分别讨论了这两种单一金属氧化物的气敏特性对结构/形貌的依赖性;然后,通过贵金属修饰,研究了Au纳米颗粒对Zn O气敏特性造成的影响;在此基础上,利用模板法制备了Au@Zn O和Au@In2O3两种金-半异质结构,研究了其气体传感特性;最后,构筑了Zn O/Zn Fe2O4复合敏感材料,比较了单一敏感材料和复合敏感材料气敏特性的差异。具体研究内容如下:1.为了提高氧化物半导体敏感材料的识别功能、转换功能和敏感体的利用效率,设计制备了In2O3分等级结构和Zn O核壳结构,显著提升了对NO2和乙醇的灵敏度。首先利用微波水热法制备了结构规则、疏松多孔的棒束状In2O3分等级结构,SEM结果表明它是由直径约为50 nm的纳米棒组装而成。这些In2O3纳米棒沿着中心轴呈轴对称排布,表现出了良好的结构对称性。研究发现,基于In2O3分等级结构的传感器对1 ppm NO2的灵敏度可以高达87,检测下限可以低至40 ppb,其良好的特性可归因于其多孔的微观结构以及较大的比表面积。此外,还研究了基于Zn O核壳结构的气体传感器的敏感特性。通过观察不同反应时间下所得产物的微观结构,研究了Zn O@void@Zn O型核壳结构的形成过程和机理。相比于Zn O中空结构,Zn O核壳结构具有更多的表面活性位点,从而使其表现出更好的气敏特性,实验结果表明Zn O@void@Zn O核壳结构对200 ppm乙醇的最大响应约为Zn O中空结构的2倍。2.利用Au纳米颗粒对Zn O进行修饰改性,研究了贵金属修饰对氧化物半导体气体传感特性的影响。首先,通过在反应体系中加入不同体积的HAu Cl4溶液,利用微波辅助合成法,制备了四种金担载的Zn O中空球。由于在反应过程中溶液一直处于搅拌状态下,因此反应生成的Zn O中空球具有良好的分散性和均匀度,而且Au纳米颗粒也均匀地分散在了Zn O中空球上。对各种Au掺入比例的Zn O进行了气体传感特性的评价和比较。结果表明:由于贵金属的“电子敏化”和“化学敏化”作用或两者的协同作用,经过Au颗粒修饰的Zn O的气敏特性明显优于未修饰的Zn O,其中掺入量为1 mol%的Zn O对200 ppm乙醇具有最大响应,是纯相Zn O的2倍,响应和恢复时间也明显短于未修饰的Zn O。3.设计制备了新型的具有核壳结构的贵金属与半导体的复合材料。以实验中合成的Au@C纳米球作为模板,利用室温下陈化吸附结合后续热处理的方法成功地制备了Au@Zn O和Au@In2O3两种金-半异质结构。基体材料的分等级结构化和贵金属Au的催化作用,使得这两种金-半异质结构在检测有机挥发性气体(VOC)方面都显示出了优异的特性。基于Au@Zn O核壳结构的传感器对100ppm丙酮的最大响应值为37,远高于基于Zn O中空结构和Zn O实心结构的传感器。基于Au@In2O3核壳结构的传感器对甲醛的最大灵敏度比使用In2O3纳米球的传感器高出3倍。4.设计制备了由两种氧化物半导体组成的半-半异质结构。在Zn O中空结构的基础上,通过液相反应结合后续热处理的方法,首次制备了Zn O/Zn Fe2O4双壳层中空结构。气体传感特性测试结果表明:基于Zn O/Zn Fe2O4异质结构的传感器对丙酮不仅具有较高的灵敏度,而且具有快速的响应恢复特性,在250℃下,对100 ppm丙酮的响应和恢复时间分别为1和11 s,与纯Zn O中空结构的响应和恢复时间相比缩短了几十秒。其良好的传感特性可归因于异质结的形成以及材料较大的比表面积。
[Abstract]:......
【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：1670889