基于半导体氧化物及其复合材料的化学传感器研究

发布时间：2017-05-31 23:07

  本文关键词：基于半导体氧化物及其复合材料的化学传感器研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传感器是获取信息的器件或系统，在信息技术的链条中处于源头的位置。作为化学传感器的重要分支，气体与湿度传感器广泛应用在环境、安全、气象、工业控制和医疗福祉等领域，引起了人们越来越多的重视。为了更好的满足上述各个领域的需求，，气体和湿度传感器也在追求高灵敏度、良好的选择性、快的响应恢复速度、低检测下限、高可靠性和低功耗等指标。敏感材料作为气体和湿度传感器的核心，直接影响着传感器的特性，因此，开发高性能敏感材料对于提升传感器的性能至关重要。本论文面向高性能气体与湿度传感器的开发，对半导体氧化物及其复合材料的制备及其气体与湿度敏感特性进行了较系统的研究，具体内容如下： 1.利用微波辐照法及后续的热处理制备了分散性较好的WO3纳米颗粒，以该材料为敏感材料制备了气体传感器并对其进行了测试。传感特性测试表明，基于WO3纳米颗粒的气体传感器可以在较低的温度下工作，且其对低浓度NO2表现出了较高的响应。此外，该传感器的检测下限低至5ppb。 2.通过煅烧由微波溶剂热法制备的W18O49纳米线制备了纳米棒构成的单分散花状WO3结构。基于上述材料的传感器对ppb量级的NO2具有较高的响应及较好的选择性，此外，其工作温度较低，仅为90°C。当工作温度达到300°C时，传感器对100ppm丙酮具有较快的响应恢复速度。 3.利用微波水热法成功地制备了单分散的分等级球状WO3并探讨了水热反应时间对材料微观结构和形貌的影响。结果表明水热反应时间对材料的尺寸和分散性具有很大影响。利用所制备的分等级球状WO3构筑的气体传感器对丙酮显示了较好的选择性和重复性。此外，在10-1000ppm浓度范围，传感器的响应值与丙酮浓度呈现线性关系。 4.利用微波水热法一步合成了海胆状CuO-还原氧化石墨烯(rGO)复合材料，研究了rGO的引入对复合材料的影响以及复合材料的湿敏特性。研究表明纯的rGO对湿度几乎没有响应，但是基于上述复合材料的湿度传感器具有高灵敏度、快速响应-恢复特性和好的重复性。此外，对复合材料的湿度敏感机理进行了深入讨论，利用肖特基结接触对传感器的湿敏性质进行了解释。
【关键词】：化学传感器 半导体氧化物 石墨烯 复合材料 气体传感器 湿度传感器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.2
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-46
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 化学传感器13-32
• 1.2.1 气体传感器13-29
• 1.2.1.1 半导体氧化物气体传感器的主要类型14-17
• 1.2.1.2 半导体氧化物气体传感器的主要特点17-19
• 1.2.1.3 半导体氧化物气体传感器的敏感机理19-21
• 1.2.1.4 基于 WO3材料的气体传感器21-29
• 1.2.2 湿度传感器29-32
• 1.2.2.1 湿度的定义及表示方法29-30
• 1.2.2.2 湿度传感器的主要类型30
• 1.2.2.3 湿度传感器的主要参数及特性30-31
• 1.2.2.4 湿度传感器的敏感机理31-32
• 1.3 石墨烯及石墨烯-半导体氧化物复合材料32-46
• 1.3.1 石墨烯的基本结构及性质32-35
• 1.3.1.1 石墨烯的电子性质和能带结构33
• 1.3.1.2 电荷输运性质33-34
• 1.3.1.3 光学性质34
• 1.3.1.4 热导性质34
• 1.3.1.5 力学性质34-35
• 1.3.2 石墨烯的制备35-40
• 1.3.2.1 机械剥离法36
• 1.3.2.2 外延生长法36-37
• 1.3.2.3 化学气相沉积法37
• 1.3.2.4 有机合成法37
• 1.3.2.5 化学氧化还原法37-40
• 1.3.3 石墨烯-半导体氧化物复合材料的制备及应用40-46
• 第二章 基于 WO_3材料的 NO_2传感器46-68
• 2.1 引言46
• 2.2 基于 WO_3纳米颗粒的 NO_2传感器46-54
• 2.2.1 实验试剂及仪器47
• 2.2.2 材料的合成47-48
• 2.2.3 器件的制作48-49
• 2.2.4 结果与讨论49-54
• 2.2.4.1 材料形貌及结构49-50
• 2.2.4.2 器件敏感特性50-54
• 2.2.5 本节小结54
• 2.3 基于花状 WO_3分等级结构的 NO_2传感器54-68
• 2.3.1 实验试剂及仪器55
• 2.3.2 材料的制备55-56
• 2.3.3 器件的制作56
• 2.3.4 结果与讨论56-67
• 2.3.4.1 材料形貌及结构56-60
• 2.3.4.2 器件敏感特性60-67
• 2.3.5 本节小结67-68
• 第三章 基于单分散的分等级球状 WO_3材料的丙酮传感器68-80
• 3.1 引言68
• 3.2 实验试剂及仪器68-69
• 3.3 材料的制备69
• 3.4 器件的制备69
• 3.5 结果与讨论69-78
• 3.5.1 材料形貌及结构69-73
• 3.5.2 器件敏感特性73-78
• 3.6 本章小结78-80
• 第四章 基于石墨烯-海胆状 CuO 复合材料的湿度传感器80-94
• 4.1 引言80-81
• 4.2 实验试剂及仪器81-82
• 4.3 材料的制备82-83
• 4.3.1 氧化石墨烯的制备82
• 4.3.2 CuO-rGO 复合材料的制备82-83
• 4.4 器件的制备及测试83-84
• 4.5 结果与讨论84-93
• 4.5.1 材料形貌及结构84-89
• 4.5.2 器件敏感特性89-93
• 4.6 本章小结93-94
• 第五章 结论与展望94-96
• 参考文献96-115
• 作者简介115
• 博士期间发表论文列表115-117
• 致谢117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 侯长军;刁显珍;唐一科;霍丹群;韦立凡;;微型反应器法纳米WO_3粉体的合成及表征[J];稀有金属材料与工程;2007年S3期

2 ;Simple point contact WO_3 sensor for NO_2 sensing and relevant impedance analysis[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2012年12期

3 陈伟良;尹静;黄春舒;王学伟;袁志好;别利剑;;金修饰ZnO纳米棒阵列制备及对甲醛气敏性能[J];无机化学学报;2010年04期

4 郭先芝;康艳飞;杨太利;王淑荣;;基于聚噻吩/WO_3的有机-无机复合材料低温NO_2传感器(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年02期

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本文编号：410908