多維度組裝SnO2氣敏性能及其機(jī)理研究.pdf

1、n型半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器在防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生、大氣環(huán)境的檢測(cè)以及工業(yè)生產(chǎn)有毒有害氣體的檢測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)揮了巨大作用。但是，目前開發(fā)的半導(dǎo)體氣敏材料仍在選擇性、穩(wěn)定性等方面存在明顯不足，因此，研制和開發(fā)新型高性能的氣體傳感器將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。在氣體傳感器的研究中，焦點(diǎn)集中在發(fā)展新型氣敏材料，以提高傳感器各項(xiàng)性能。由于氣敏機(jī)理的諸多方面不明確，缺乏普遍適用的氣敏敏感機(jī)制，因此在研發(fā)過程中難以解決氣敏材料選擇性差，穩(wěn)

2、定性弱等問題。
　　本文選取的氣敏材料研究體系為多維度組裝的納米SnO2納米材料，作為最重要的氧化物氣敏材料，SnO2一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文分別制備出零維，一維組裝以及二維組裝的納米SnO2粉體材料，測(cè)試材料在不同工作條件下的氣敏性能，并基于第一性原理對(duì)SnO2表面原子結(jié)構(gòu)及其氣體吸附性能進(jìn)行理論計(jì)算，提出了氧吸附以及非氧吸附的氣敏機(jī)制，揭示SnO2傳感效應(yīng)的本質(zhì)。從電子結(jié)構(gòu)的角度分析了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證了兩種氣敏模型的可行性。主

3、要結(jié)果如下：
　?、俪晒χ频萌N不同形貌的零維SnO2納米材料，并且對(duì)其進(jìn)行生長(zhǎng)機(jī)理的分析和氣敏性能的測(cè)試。試驗(yàn)采用水熱法制備，以SnCl4?5H2O、NaOH、檸檬酸、SDS、Zn(Ac)2、Na2SnO3、乙醇和去離子水為原料，通過控制反應(yīng)條件制備出不同零維形貌的SnO2納米材料。原料 SnCl4?5H2O、無水乙醇、去離子水、NaOH配比特定，反應(yīng)條件不變，改變活性劑檸檬酸的量可以制得實(shí)心球狀和空心球狀形貌SnO2納米材料；

4、改變活性劑為SDS，可以制得方塊狀SnO2納米材料；對(duì)空心球狀以及方塊狀SnO2納米材料，改變?cè)囼?yàn)反應(yīng)時(shí)間，觀察不同時(shí)間段的反應(yīng)形貌，推理出SnO2形貌的形成結(jié)構(gòu)機(jī)理；具有SnO2方塊狀結(jié)構(gòu)的樣品具有極好的氣敏性能，應(yīng)用前景廣泛。
　?、谟懻摿巳N一維SnO2納米材料通過自組裝的方式形成不同空間結(jié)構(gòu)和具有不同的氣敏性能。我們發(fā)現(xiàn)，一維SnO2納米材料具有良好的氣體敏感性能。此外，通過不同水熱時(shí)間以及不同的表面活性劑，可以調(diào)整和制備

5、出不同形貌的一維SnO2自組裝氣敏材料，這種方法經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單且有效。結(jié)構(gòu)的不同對(duì)納米氣敏材料的影響很大，擁有更為開放疏松多孔的結(jié)構(gòu)，更少的連接點(diǎn)，更低的勢(shì)壘都可以大大提高一維組裝SnO2納米材料的氣敏性能。這種以改變微觀結(jié)構(gòu)而提高材料氣敏性能的思路對(duì)于提高其他納米材料的氣敏性能也具有指導(dǎo)性意義。
　?、弁ㄟ^一步水熱法可以合成出片狀納米花，而且其厚度可以通過控制NaOH的用量來精確控制。隨著納米片厚度的變薄，納米片的比表面積和缺陷都將

6、增加，而這會(huì)顯著地提升該SnO2結(jié)構(gòu)的氣敏性能。通過控制NaOH、PVP的用量改變納米片的形貌，發(fā)現(xiàn)這三種2D-3D為基的傳感器的氣敏性能以盛開的<半盛開的<介孔半盛開的納米花的順序逐漸增強(qiáng)，主要由于半盛開的花瓣形成了氣體反應(yīng)空間，另外介孔結(jié)構(gòu)有利于氣體擴(kuò)散。在制備過程中，SnO2之所以會(huì)形成納米片狀花的結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)槿∠蛭胶透g的原因。實(shí)驗(yàn)中得到的納米片花已經(jīng)具備了足夠優(yōu)越的氣敏性能，但是我們?nèi)匀幌Ｍ軌蜻M(jìn)一步增強(qiáng)其氣敏性能。

7、r>　?、茉诖髿猸h(huán)境下與在真空條件下對(duì)SnO2材料進(jìn)行了氣敏測(cè)試，兩者的氣敏性能非常接近，因此可說明SnO2材料的氣敏響應(yīng)過程可以不依賴于吸附氧。計(jì)算結(jié)果同時(shí)也印證了此結(jié)論，對(duì)于氫氣分子直接與SnO2表面作用時(shí)，可在H與表面橋氧原子產(chǎn)生電子交換，并形成了一條電子轉(zhuǎn)移通道，使得氫氣分子與SnO2表面在氣敏反應(yīng)過程中發(fā)生了明顯的電子轉(zhuǎn)移從而實(shí)現(xiàn)了氣敏響應(yīng)過程。所以，對(duì)于SnO2的氣敏機(jī)理，應(yīng)該存在兩種方式，即表面氧吸附后氣體分子與吸附氧產(chǎn)生