多維度組裝SnO2氣敏性能及其機理研究.pdf

1、n型半導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)境的檢測以及工業(yè)生產(chǎn)有毒有害氣體的檢測等領(lǐng)域的發(fā)揮了巨大作用。但是，目前開發(fā)的半導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)實意義和實用價值。在氣體傳感器的研究中，焦點集中在發(fā)展新型氣敏材料，以提高傳感器各項性能。由于氣敏機理的諸多方面不明確，缺乏普遍適用的氣敏敏感機制，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，SnO2一直是國內(nèi)外研究熱點。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SnO2表面原子結(jié)構(gòu)及其氣體吸附性能進行理論計算，提出了氧吸附以及非氧吸附的氣敏機制，揭示SnO2傳感效應(yīng)的本質(zhì)。從電子結(jié)構(gòu)的角度分析了實驗現(xiàn)象，驗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，并且對其進行生長機理的分析和氣敏性能的測試。試驗采用水熱法制備，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；對空心球狀以及方塊狀SnO2納米材料，改變試驗反應(yīng)時間，觀察不同時間段的反應(yīng)形貌，推理出SnO2形貌的形成結(jié)構(gòu)機理；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、簡單且有效。結(jié)構(gòu)的不同對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，更低的勢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于提高其他納米材料的氣敏性能也具有指導性意義。
　?、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，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)有利于氣體擴散。在制備過程中，SnO2之所以會形成納米片狀花的結(jié)構(gòu)，主要是因為取向吸附和腐蝕的原因。實驗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一步增強其氣敏性能。

7、r>　?、茉诖髿猸h(huán)境下與在真空條件下對SnO2材料進行了氣敏測試，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。計算結(jié)果同時也印證了此結(jié)論，對于氫氣分子直接與SnO2表面作用時，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)移從而實現(xiàn)了氣敏響應(yīng)過程。所以，對于SnO2的氣敏機理，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