论文部分内容阅读
随着经济社会的快速发展,工业生产不断地向大气中排放一些有毒、有害、易燃易爆气体,如甲烷、氯气、氨气、氮氧化物、硫化氢、丙酮和一氧化碳等。这些气体的排放已经严重造成了环境污染和人类健康问题。为此,各种传感器被设计和研发出来,以对我们所处的环境进行有效的空气质量监测,预防一些危险情况发生。在诸多气体传感器中,氧化物半导体气体传感器因具有体积小、灵敏度高、制造工艺简单等优点,已被广泛地应用于实际生产和生活中。然而,氧化物半导体气体传感器在实际应用中也存在工作温度高、响应恢复能力弱及灵敏度低等问题。为解决这些问题,我们就需要采取一些有效手段来提高氧化物半导体气体传感器的性能。气体传感器最关键部分是敏感材料,它会直接影响气体传感器的气敏性能。因此,制备优异的敏感材料极为重要。本文以SnO2和ZnO为研究对象,采用简单的水热合成方法,通过构建分等级结构、分等级多孔结构和异质结结构的方式,以提高氧化物半导体敏感材料的气敏性能。另外,我们也对氧化物半导体敏感材料的敏感机理进行了详细系统的分析。本文的具体内容如下:（1）我们以CTAB为表面活性剂,辅助水热合成法和高温煅烧,制备出了不同形貌的SnO2纳米材料,同时分析和对比了不同形貌的SnO2纳米材料对甲醇的气敏性能。实验及测试结果表明,随着煅烧温度的升高,SnO2纳米材料的形貌发生了明显的变化,其中,当煅烧温度为400℃时,SnO2纳米材料不仅呈现好的分等级花状结构,而且对甲醇也表现出优异的气敏性能。当工作温度为200℃时,基于400℃煅烧的分等级结构SnO2纳米花的气体传感器对100 ppm甲醇的灵敏度为58,响应和恢复时间分别为4 s和8 s。同时,在200℃下,该气体传感器对甲醇的检测限度为1 ppm,灵敏度为1.6。此外,该气体传感器对甲醇还具有优异的选择性、良好的重复性及长期的稳定性。分等级结构SnO2纳米花对甲醇所表现出的良好气敏特性归因于该材料独特的分等级结构。（2）为了提升分等级结构SnO2纳米花的气敏性能,我们采用传统的水热合成法,将分等级结构SnO2纳米花与NiO复合,并对复合后的分等级结构NiO/SnO2纳米花进行气敏性能测试。气敏测试结果表明,当工作温度为164℃时,基于分等级结构NiO/SnO2纳米花的气体传感器对100 ppm甲醇的灵敏度较低,对100 ppm乙醇的灵敏度却极为优异。在164℃下,基于单一的分等级结构SnO2纳米花的气体传感器对100 ppm乙醇的灵敏度为36。然而,在同等工作温度下,基于分等级结构NiO/SnO2纳米花的气体传感器对100 ppm乙醇的灵敏度为243。同时,该气体传感器对乙醇的检测限度为500 ppb,灵敏度为1.2,响应和恢复时间分别为4 s和6 s。因此,NiO与SnO2复合后,分等级结构NiO/SnO2纳米花对乙醇的气敏性能极为优异,其归因于该材料独特的分等级结构,p-n异质结的形成以及NiO的催化作用。此外,对于复合后的分等级结构NiO/SnO2纳米花对乙醇表现出极高的气敏响应,而对甲醇的响应减弱是由于不同的最佳工作温度会导致气体传感器对同一测试气体表现出不同的气敏响应,同时,气体传感器对某测试气体的气敏响应与很多因素有关,例如,气体分子在材料表面的稳定性及分解速率、材料的载流子浓度、材料的德拜长度和材料的催化活性等。（3）在制备了分等级结构SnO2纳米花并对其进行改性之后,我们又采用简单的水热合成法,通过改变煅烧温度分别制备了无孔和多孔的分等级结构ZnO微米花。气敏测试结果表明,当工作温度为260℃时,基于分等级结构多孔ZnO微米花的气体传感器对50 ppm乙醇的灵敏度为110,响应和恢复时间分别为4 s和12 s。然而,在260℃下,基于分等级结构无孔ZnO微米花的气体传感器对50 ppm乙醇的灵敏度为60,响应和恢复时间分别为4 s和18 s。因此,基于分等级结构多孔ZnO微米花的气体传感器对50 ppm乙醇的灵敏度是同等测试条件下基于分等级结构无孔ZnO微米花的气体传感器的1.8倍。同时,基于分等级结构多孔ZnO微米花的气体传感器对乙醇的检测限度为0.1 ppm,灵敏度为1.6。此外,基于分等级结构多孔ZnO微米花的气体传感器还拥有良好的选择性、重复性及长期稳定性。分等级结构多孔ZnO微米花优异的乙醇气敏特性归因于其分等级多孔结构具有比较大的比表面积以及较多的气体传输孔道,能够有效促进气体的反应以及扩散,从而提升该材料的乙醇气敏性能。（4）基于单一的分等级结构多孔ZnO微米花的气体传感器的工作温度较高,为了降低气体传感器的工作温度,我们采用简单的水热合成法,将一定量的SnO2与ZnO复合,并将此复合物在400℃高温下煅烧3小时,获得分等级结构SnO2/ZnO微米花。气敏测试结果表明,当工作温度为225℃时,基于分等级结构SnO2/ZnO微米花的气体传感器对100 ppm乙醇气体的灵敏度为73.7,响应和恢复时间分别为4 s和6 s。同时,在225℃下,该气体传感器对乙醇的检测限度为1 ppm,灵敏度为1.2。然而,同等测试条件下,基于分等级结构多孔ZnO微米花的气体传感器对100 ppm乙醇的灵敏度为38.8,响应和恢复时间分别为5 s和8 s。基于分等级结构SnO2纳米花的气体传感器对100 ppm乙醇的灵敏度为5.7,响应和恢复时间分别为5 s和10 s。因此,将SnO2与ZnO复合后,在较低工作温度下,分等级结构SnO2/ZnO微米花对乙醇的气敏性能明显提升,归因于该材料特殊的分等级结构和n-n异质结的形成。