ZnO-Cd納米棒陣列光學氫敏性能研究.pdf

1、氫氣是目前公認的具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕G色能源，但氫氣的提取，運輸和儲存也存在巨大的安全隱患，因此對氫氣泄露的監(jiān)測是氫能研究開發(fā)領域的一個主要課題，而其中最重要的就是室溫氫氣氣敏傳感器的研發(fā)。在氫敏材料研究領域，已有研究發(fā)現(xiàn)貴金屬（Pd、Pt）摻雜ZnO能增強傳感器的性能，一維ZnO納米材料也有良好的氫敏性能，但它們大都為電阻型氣敏傳感器，且其工作溫度都在150℃以上。我們實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)一維ZnO:Cd納米材料不僅穩(wěn)定性好，且工作溫度可

2、降低到80℃。本研究旨在前期研究的基礎上改進材料及器件結構，探索室溫下非加電光學氫敏傳感器的實現(xiàn)。
　　本文采用兩步法制備ZnO納米棒陣列，其中磁控濺射法用于制備厚度約為50nm的ZnO種子層，低溫水熱法用于制備ZnO:Cd納米棒陣列，通過控制Cd在ZnO中的摻雜含量和材料的生長時間調整納米棒的直徑和長度。Cd的摻雜濃度分別為0％，2%，4%，6%，生長時間調控分別為0.5h，1h，2h，3h。采用XRD，SEM，分光光度計分別對

3、其晶體結構，表面形貌，光學性能進行了分析研究，并將ZnO:Cd納米棒陣列制備成光學氣敏傳感器(18mm×18mm×4mm)，對其光學氫敏性能進行了測試分析。
　　XRD及SEM分析表明生長為2小時的不同摻雜濃度的ZnO:Cd納米材料為定向生長的納米棒陣列，所有薄膜都由縱向生長的納米棒組成,其中2%Cd摻雜ZnO:Cd（記做ZnO:Cd-2）納米棒陣列的納米棒尺寸最小，比表面積最大，納米棒陣列棒間分布間隙最大。在通過改變ZnO:Cd

4、-2的生長時間來調控納米棒的研究中發(fā)現(xiàn)，納米棒隨生長時間的增加基本呈線性增長，但納米棒直徑隨生長時間變化較小。研究表明，通過控制Cd的摻雜濃度，可以抑制 ZnO納米棒的水平生長。透過率測試表明所有樣品在450nm到800nm之間的透過率都達到60%以上，其中Cd摻雜濃度為2%的ZnO透過率最大。
　　對基于ZnO:Cd納米棒陣列制備的氫敏傳感器測試研究中，不同Cd摻雜濃度器件對500ppm氫氣的光學氣敏靈敏度測試結果表明，基于Zn

5、O:Cd-2納米棒陣列的傳感器光學靈敏度最大；在工作波長為480nm下通入500ppm H2，測試了ZnO:Cd-2基傳感器的響應恢復曲線，經計算其靈敏度，響應時間和恢復時間分別為60%，17s和15s，表明其有良好的光學氫敏性能。進一步降低測試氣體濃度，得到該傳感器能有效檢測氫氣的最低濃度為100ppm，其靈敏度為20%，響應時間為16s。最后我們對其光學氣敏機理進行了分析探討。本研究中所有氫敏性能測試均在室溫下進行，與前人的研究相比