【摘 要】
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金属氧化物纳米材料具有纳米尺寸效应、高比表面积等特点,受到科研人员广泛关注。在众多的金属氧化物中,In2O3由于具有宽禁带、低电阻率及高导电性的特性,成为最具优势的光、气敏传感材料之一。然而,在检测NO2的过程中,In2O3有以下需要迫切解决的问题:高温下NO2气体与敏感材料之间的吸附和解吸附过程不能达到快速平衡;常温下受环境湿度的干扰使NO2气敏性能下降。在In2O3紫外光敏传感器应用方面,光敏
【基金项目】
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国家自然科学基金(51202177); 陕西省教育厅地方科研计划(19JC020);
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金属氧化物纳米材料具有纳米尺寸效应、高比表面积等特点,受到科研人员广泛关注。在众多的金属氧化物中,In2O3由于具有宽禁带、低电阻率及高导电性的特性,成为最具优势的光、气敏传感材料之一。然而,在检测NO2的过程中,In2O3有以下需要迫切解决的问题:高温下NO2气体与敏感材料之间的吸附和解吸附过程不能达到快速平衡;常温下受环境湿度的干扰使NO2气敏性能下降。在In2O3紫外光敏传感器应用方面,光敏响应值低、探测范围窄等问题限制了其发展。本论文围绕以上问题开展研究,具体工作如下:(1)采用水热法通过调控NH4F与In(NO3)3的质量比(1:2、1:3、1:4)制备了三维分级多孔In2O3纳米材料。结果表明,当NH4F与In(NO3)3的质量比为1:3时可获得高比表面积、大孔隙率的In2O3微立方体,为NO2吸附提供了大量的活性位点,并为NO2的快速扩散提供了有效的传输通道。该材料在150℃时对50 ppm的NO2 8 s内即可获得快速的吸附-解吸附平衡,10s内可完全恢复到基电阻状态,其响应值高达2329,探测浓度极限可低至10 ppb。此外,由于In2O3的疏水性,在室温下湿度(RH)为80%时其湿敏响应值仅为5.0,在此条件下对50 ppm的NO2气敏响应值仍高达463(RH为20%时,50 ppm的NO2响应值为492),表明所得In2O3微立方体在室温下具有抗湿性。(2)在水热法的基础上通过调节热处理温度(600℃、700℃、800℃)制备了三维分级多孔微立方In2O3纳米材料。研究结果表明,当热处理温度为800℃时对365 nm紫外光具有优异的光敏性能,在25℃时对100%p紫外光在10 s内可获得光响应平衡,21 s内恢复到基电阻状态,其响应值可高为10013。随着工作温度的升高,光敏响应值逐渐下降(工作温度200℃时光敏响应值为387)。此外,In2O3在室温下的光响应范围在365 nm-515 nm之间,对应的响应值为1289-10.4,这说明In2O3更适合于紫外传感器或探测器。(3)采用溶剂热法制备出In2O3-ZnO光敏复合材料(IZO Ⅰ、IZO Ⅱ、IZO Ⅲ)。结果表明,与In2O3 800℃相比,IZO Ⅲ对365 nm紫外光具有更优异的光敏性能,在25℃时对100%p紫外光(365 nm)的响应值与In2O3相比提升至18372,响应/恢复时间为11 s/12 s。同时,在工作温度为200℃时的光敏响应值也提升至854。IZO Ⅲ对425 nm蓝光和515 nm绿光的响应值也分别提升至4611和38。复合ZnO不仅为器件吸收紫外光提供了更多的活性位点,而且也提高了器件的电子传输能力,这是器件性能提高的主要原因。
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