碳納米管電離式氣體傳感器的基礎(chǔ)研究.pdf

1、碳納米管具有優(yōu)良的氣體吸附性能及電學性能，在氣體傳感領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前國內(nèi)外對碳納米管氣體傳感器的研究主要集中在晶體管型、電導型以及電容型，這些傳感器主要是利用碳納米管吸附氣體后電學性能的變化來檢測氣體的，但是其應(yīng)用受到諸如低吸附性氣體檢測困難、化學吸附具有不可逆性、受檢測環(huán)境影響等因素的限制。而電離式氣體傳感器不受上述因素限制，尤其是利用碳納米管尖端納米尺度的曲率半徑，在較低的電壓下使氣體發(fā)生電離，可以得到高性能電離式氣體傳

2、感器。但目前對碳納米管電離式氣體傳感器的研究還處于探索階段，有些基礎(chǔ)問題尚需研究。 本文首先從碳納米管的制備開始，在理論分析的基礎(chǔ)上，研究氦氣保護氣壓、生長促進劑FeS及不同生長位置等因素對電弧放電方法得到的碳納米管的影響，確定了SWNTs制備的最佳工藝；然后采用水汽氧化法對制備的單壁碳納米管進行提純，并用旋涂法制備碳納米管薄膜，對其導電性能進行研究；利用單壁碳納米管薄膜為電極，研究了多種氣體的氣體放電性能，并同陣列式多壁碳納米

3、管薄膜的氣體放電性能進行比較；最后研究制備35μm電極間距的電離式單壁碳納米管氣體傳感器的原理性器件，測試其基本性能。主要研究結(jié)果如下： 經(jīng)過對不同工藝制備的碳納米管樣品進行分析和表征，發(fā)現(xiàn)氦氣保護氣壓、生長促進劑FeS和采樣位置對電弧放電法制備碳納米管的純度和直徑有影響。同一大氣壓下，網(wǎng)狀產(chǎn)物中SWNTs含量最高。較高的氦氣氣壓有利于SWNTs的生長，其原因是由于高氣壓時冷卻速率高，有利于碳納米管生長。FeS高溫分解后的氣態(tài)硫

4、使催化劑顆粒表面的液相區(qū)在一個更大的溫度范圍和空間內(nèi)存在，有利于碳納米管的生長，硫作為交聯(lián)劑也可以提高SWNTs產(chǎn)率；硫能使大尺寸的形核基穩(wěn)定存在從而生長出直徑較大的SWNTs。根據(jù)理論分析和試驗結(jié)果確定了最佳工藝。使用水蒸汽在高溫800℃下對原始樣品處理12小時后酸洗，可以獲得純度達93％的SWNTs，表明水蒸汽氧化處理能選擇性地去除原始樣品中的雜質(zhì)，且對單壁碳納米管的破壞較小。利用旋涂法在電極上制備出無序碳納米管薄膜；薄膜導電性較好

5、，適合作為氣體電離傳感器的放電電極；還發(fā)現(xiàn)其電流一電壓關(guān)系為非線性，在同一測量電壓下，薄膜的電流與膜厚成直線關(guān)系。 對旋涂法得到的單壁碳納米管薄膜的氣體放電特性及其影響因素進行了研究。在電極間距為150μm時，待測氣體能夠在較低的電壓下(100～307V)電離，不同的氣體電離閥值電壓各不相同，據(jù)此可以對氣體進行檢測。其機理是部分碳納米管尖端伸出薄膜表面和負極構(gòu)成了一種典型的point-to-plane電暈放電電極結(jié)構(gòu)，單壁碳納米

6、管納米尺度的曲率半徑導致在較低的外加電壓下就會在其尖端附近形成高強度非均勻電場，使氣體發(fā)生電暈放電。氣體壓力對氣體電離的閾值電壓影響不大，放電電流與單位體積氣體分子摩爾數(shù)的對數(shù)成正比。氣體的電離閾值電壓隨電極間距的減小而降低。碳納米管的直徑越小，閾值電壓越小。與化學氣相沉積方法得到的直立式多壁碳納米管相比較，旋涂法單壁碳納米管薄膜電極的氣體電離閾值電壓要低30V左右，等離子處理對改善直立式多壁碳納米管的氣體放電性能有幫助。 利用