基于氧化鎢納米線(xiàn)薄膜的高性能氫氣傳感器的探索性研究.pdf

1、氫氣作為一種潔凈可再生的能源,在不遠(yuǎn)的將來(lái)可能會(huì)得到廣泛應(yīng)用。然而,氫氣是一種易燃易爆的危險(xiǎn)性氣體,使用氫氣傳感器來(lái)監(jiān)控氣體泄漏是必不可少的。目前氫氣傳感器正朝著常溫工作、高氫氣傳感選擇性、高靈敏度的方向發(fā)展。催化劑修飾的氧化鎢能對(duì)氫氣表現(xiàn)出電導(dǎo)增大的現(xiàn)象,并且不需外部加熱條件也能發(fā)生,這在常溫氫氣傳感上具有良好的應(yīng)用潛力。
　　 本論文首先對(duì)氣敏傳感領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)做了詳盡的調(diào)研和介紹,例如半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏器件的發(fā)展歷史、經(jīng)

2、典的傳感理論和常用的實(shí)驗(yàn)研究方法等。接著,本論文重點(diǎn)圍繞氧化鎢納米線(xiàn)的氫氣感應(yīng)行為進(jìn)行研究。論文工作中使用的納米線(xiàn)系列包括Pt濺鍍的WO3(Pt-WO3)納米線(xiàn)薄膜,以及Pt濺鍍的W18O49(Pt-W18O49)納米線(xiàn)薄膜。首先,我們以Pt-WO3納米線(xiàn)薄膜為對(duì)象,研究其氫氣感應(yīng)現(xiàn)象。隨后,我們發(fā)展研制出基于Pt-W18O49納米線(xiàn)薄膜的自加熱氫氣傳感原型器件,并探索了基于此器件的潛在應(yīng)用。
　　 本論文主要研究成果可概括如下

3、:
　　 1.系統(tǒng)地研究了Pt-WO3納米線(xiàn)薄膜在非外部加熱環(huán)境下的氫氣感應(yīng)行為,提出了Pt-WO3納米線(xiàn)對(duì)氫氣感應(yīng)的物理模型。目前,盡管氧化鎢薄膜的氫致電導(dǎo)增加現(xiàn)象已經(jīng)有了一些報(bào)道,但是氫氣氣敏機(jī)制仍然沒(méi)有研究透徹,仍然存在一些重要問(wèn)題有待解決。首先,氫氣導(dǎo)致WO3電導(dǎo)增大的物理因?yàn)樯袥](méi)有解釋清楚。其次,大部分研究忽略了空氣中的氧氣的共吸附對(duì)WO3氫氣氣敏的影響?；谝陨弦?yàn)?我們對(duì)鍍Pt的WO3(Pt-WO3)納米線(xiàn)薄膜的氫

4、氣感應(yīng)機(jī)理進(jìn)行探索。我們首先通過(guò)電特性測(cè)量、拉曼、光透射譜等技術(shù)輔助,研究納米線(xiàn)薄膜在接觸氫氣之后的物理特性變化情況。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),納米線(xiàn)樣品在不需要外部加熱的條件下就能對(duì)氫氣表現(xiàn)出可逆的電導(dǎo)增大現(xiàn)象。除此之外,納米線(xiàn)薄膜曝露于氫氣后對(duì)光的吸收增強(qiáng)。其次,我們利用真空中嚴(yán)格控制氣氛的方法來(lái)研究Pt-WO3納米線(xiàn)薄膜的氫氣氣敏行為,特別關(guān)注O2共吸附對(duì)電導(dǎo)的影響。由于高純單質(zhì)氣氛得到控制,我們就能細(xì)致地研究納米線(xiàn)薄膜樣品受不同氣體吸附

5、而產(chǎn)生的電特性效果。我們發(fā)現(xiàn)在Pt-WO3納米線(xiàn)薄膜的氫氣氣敏過(guò)程中,空氣中氧氣共吸附作用會(huì)降低氫氣的還原效率。結(jié)合這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們提出了Pt-WO3納米線(xiàn)薄膜的氫氣感應(yīng)模型。在氫氣感應(yīng)過(guò)程中,氫原子會(huì)與WO3納米線(xiàn)的晶格氧離子作用,并在納米線(xiàn)的表面和表層形成局域水分子和氧空位,而留在氧空位中的兩個(gè)受困電子可以被小激活能激發(fā)成為自由電子,這一過(guò)程導(dǎo)致納米線(xiàn)薄膜的電導(dǎo)增加和光吸收增強(qiáng)。另外,在氫感應(yīng)過(guò)程中,除了氫氣分子吸附至納米線(xiàn)表面以

6、外,也存在著O2分子的共同吸附。它們會(huì)與表面H原子反應(yīng)形成水分子而揮發(fā)。這一反應(yīng)消耗了部分表面H原子,使Pt-WO3納米線(xiàn)薄膜對(duì)氫氣的響應(yīng)效率變低。在樣品的恢復(fù)過(guò)程中,WO3納米線(xiàn)中的局域H2O分子會(huì)分解,氧離子填充回氧空位,而H+離子將與自由電子結(jié)合,形成H原子并遷移至表面。這一過(guò)程使納米線(xiàn)薄膜的電導(dǎo)減小。
　　 2.提出了一種新型氣敏傳感器工作概念。該傳感器利用流過(guò)低阻抗半導(dǎo)體薄膜本身的電流來(lái)產(chǎn)生焦耳熱,從而實(shí)現(xiàn)薄膜表面升溫

7、。該薄膜起到自加熱和氣體傳感的作用。該器件避免了使用外部加熱元件,簡(jiǎn)化了制備工藝和傳感器的后續(xù)電路設(shè)計(jì)要求。我們以低阻抗的Pt-W18O49納米線(xiàn)薄膜為氣敏材料,制各自加熱型氫氣傳感器并表征了其傳感性能,證實(shí)了該工作理念的可行性。
　　 3.探索研究了自加熱Pt-W18O49納米線(xiàn)薄膜氫氣氣敏性能。Pt-W18O49納米線(xiàn)對(duì)氫氣的活性明顯地依賴(lài)于自加熱效率。主要體現(xiàn)為:樣品對(duì)相同濃度的氫氣(50-400 ppm范圍內(nèi))響應(yīng)強(qiáng)度基