以二氧化硅為基體的新型傳感材料的制備、表征和應(yīng)用研究.pdf

1、對(duì)于被摻雜、吸附或鑲嵌的傳感物質(zhì)而言二氧化硅是一個(gè)優(yōu)良的基體材料，它具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣性、對(duì)可見光透明等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為重要的催化劑載體和高化學(xué)活性的納米材料的承載基體，在研究和生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。 硅膠作為一種重要的二氧化硅材料具有多孔性和高吸附性的特點(diǎn)。具有高吸附能力的多孔硅膠已被直接運(yùn)用于濕度傳感器，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于各種溶劑中微量成分的富集檢測(cè)。而更廣泛的運(yùn)用于傳感器的是摻雜有或固載有各種傳感物質(zhì)的硅

2、膠材料。本文研究了具有色度傳感特性和磷光傳感特性的含釩硅膠干凝膠。目前摻雜或未摻雜的含釩硅膠的干凝膠、薄膜和塊體材料的研究已經(jīng)引起了極大的關(guān)注和興趣，因?yàn)檫@種材料在催化、熱致變色、電致變色和信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的用途。在上世紀(jì)90年代，含釩硅膠干凝膠遇水變紅的特性已經(jīng)被用于濕度傳感器的研制，而這種材料在水存在的條件下被乙醇還原而變成黃綠色的特性第一次在本研究中用于乙醇中微量水分的色度傳感研究。本文研究的含釩硅膠干凝膠以104.

3、5 mL正硅酸乙酯、1.4259 g偏釩酸銨、117 mL乙醇和108 mL二次去離子水為原料經(jīng)過溶膠凝膠的方法制成，具有廉價(jià)低毒的優(yōu)點(diǎn)。在制備過程中未引入酸、堿等加快凝膠速度的催化劑，使樣品具有很高的純度，這一優(yōu)點(diǎn)簡化了制備工藝和對(duì)樣品的顏色起源以及磷光起源的分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過在500℃下焙燒1小時(shí)處理后的含釩硅膠干凝膠薄片呈現(xiàn)無色透明狀，當(dāng)冷卻后的干凝膠薄片接觸環(huán)境空氣時(shí)，薄片在3秒鐘內(nèi)變?yōu)槌燃t色，顯示了本實(shí)驗(yàn)制備的含釩硅膠材料具有

4、很高的空氣濕度傳感靈敏度和傳感速率。熱失重分析顯示薄片能吸收約為自身重量21％的水份，并且在100℃下加熱，能夠除去所有物理吸附的水份，表明這種濕度指示材料很容易再生。光學(xué)顯微照片顯示薄片表面有大量孔洞，表明薄片具有高吸附能力。電子自旋共振實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含釩硅膠干凝膠薄片中的V<'5+>在水存在的條件下被乙醇還原成特征顏色為藍(lán)綠色的四價(jià)含氧釩離子[VO(H<,2>O)<,5>]<'2+>。浸泡在含水乙醇中的薄片同時(shí)生成紅色的絡(luò)合了兩個(gè)水分子的

5、五價(jià)釩離子中心生色團(tuán)和藍(lán)綠色的[VO(H<,2>O)<,5>]<'2+>生色團(tuán)。紅色和藍(lán)綠色混合成黃綠色，黃綠色的互補(bǔ)色是藍(lán)色。本研究運(yùn)用基于MATLAB的自編程序提取了浸泡在不同水含量的乙醇溶液中的含釩硅膠干凝膠薄片的照片圖像的B原色強(qiáng)度數(shù)值，繪制了B值與乙醇溶液中水分含量的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)B值隨著水含量單調(diào)變化。通過測(cè)定含釩硅膠干凝膠薄片的照片圖像的B值可以定量檢測(cè)乙醇溶液中的水分含量，水濃度的檢測(cè)下限小于1％。作為一種色度測(cè)量方法，

6、本研究使用的設(shè)備是普通數(shù)碼相機(jī)，省去了紫外一可見分光光譜儀或紅外吸收光譜儀等專業(yè)色度分析儀器的昂貴費(fèi)用，同時(shí)有具有好的分析效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過在800℃和1100℃下焙燒1小時(shí)的含釩硅膠干凝膠薄片能夠發(fā)射峰值為527nm(800℃)和537nm(1100℃)的強(qiáng)烈磷光。光學(xué)顯微照片顯示經(jīng)過800℃焙燒的薄片表面有大量孔洞，而在1100℃下焙燒過的薄片表面致密，呈現(xiàn)玻璃態(tài)。水、乙醚，硫代硫酸鈉和氫氟酸能夠滲入經(jīng)過800℃焙燒的薄片內(nèi)部猝滅其

7、磷光。這個(gè)現(xiàn)象表明經(jīng)過在800℃下焙燒的含釩硅膠干凝膠薄片可以用作水、乙醚，硫代硫酸鈉和氫氟酸的磷光傳感材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500℃焙燒的薄片沒有磷光，而在1100℃下焙燒的薄片的磷光比在800℃下焙燒的更強(qiáng)烈。這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能用已有的理論解釋。結(jié)合在TEM實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了五氧化二釩納米晶的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，本文對(duì)含釩硅膠干凝膠薄片的磷光發(fā)射機(jī)理和水對(duì)磷光猝滅機(jī)理的解釋做了新的嘗試：含釩硅膠干凝膠薄片的磷光發(fā)射來自于具有量子尺寸效應(yīng)的五氧化二釩納米

8、晶；水對(duì)磷光的猝滅作用來自于滲透了水的SiO<,2>基體對(duì)五氧化二釩納米晶的介電限域效應(yīng)。 自上世紀(jì)八十年代末納米科技興起以來，人們對(duì)嵌入二氧化硅基體中的納米材料的奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)展開了深入的研究。嵌入二氧化硅基體中的鍺納米晶展現(xiàn)了有巨大應(yīng)用前景的新穎的光電性質(zhì)，有望成為未來納米電子學(xué)和納米光學(xué)的一個(gè)重要基礎(chǔ)材料，從而引起了研究者的普遍重視。迄今，在以往有關(guān)嵌入SiO<,2>膜中Ge納米晶(nc-Ge)制備方法(如離子注入法

9、、磁控射頻濺射法、化學(xué)氣相沉積法，溶膠凝膠法等)的報(bào)道中，一般需附加400℃以上溫度的退火處理才可形成Ge納米晶，這會(huì)增加Ge納米晶制備的技術(shù)復(fù)雜性和成本。而且對(duì)離子注入方法來說，以往研究中使用的離子注入劑量不高，低于1×10<'17>cm<'2>，使得納米晶濃度過低，光熒光強(qiáng)度不高。目前高劑量注入極端條件下產(chǎn)生的新現(xiàn)象和新物性還不清楚，有待開展研究。本研究首次報(bào)道了不經(jīng)過退火處理，通過大幅提高Ge離子注入量直接制備nc-Ge的方法，對(duì)