ZnO基傳感器的氣敏和濕敏特性研究.pdf

1、自從1962年發(fā)現(xiàn)ZnO材料的電導(dǎo)率會(huì)隨環(huán)境氣氛發(fā)生變化以來(lái)，有關(guān)ZnO基氣、濕敏傳感器的研究就一直受到人們的關(guān)注。近年來(lái)，隨著納米科技與相關(guān)制備工藝的快速發(fā)展，ZnO基敏感材料的制備技術(shù)已臻成熟，如何提高傳感器的敏感性能成為研究的重點(diǎn)。本文從納米ZnO的結(jié)構(gòu)與形貌控制、摻雜、復(fù)合和修飾出發(fā)，制備了幾種ZnO基材料體系，并通過(guò)制作傳感器原型器件，對(duì)其相應(yīng)的濕度或氣體敏感性能研究，分析了相關(guān)的敏感機(jī)理。論文取得了以下主要研究結(jié)果:

2、　　1、多孔片層ZnO球的制備及其氣敏性能研究
　　采用水熱法制備了多孔片層ZnO球并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過(guò)制作電阻型原型器件，研究了其對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性能。結(jié)果表明，該氣敏元件的最佳工作溫度為280℃。在此溫度下，元件對(duì)2ppm乙醇的靈敏度達(dá)到2.8，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為10和15s，且在2-500ppm乙醇?xì)怏w濃度范圍內(nèi)的響應(yīng)曲線具有很好的線性度。與目前商業(yè)ZnO粉末氣敏元件相比，基于多孔片層ZnO球的氣體傳感器優(yōu)勢(shì)在

3、于其具有更低的工作溫度和更高的靈敏度。
　　2、Zn摻雜SnO2多孔空心球的制備及其氣敏性能研究
　　以碳球?yàn)槟０?，采用直接沉淀法制備Zn摻雜SnO2多孔空心球，并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過(guò)制作電阻型原型器件，研究了其對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性能。結(jié)果表明，在240℃的工作溫度下，該氣敏元件對(duì)乙醇的響應(yīng)值最大。對(duì)于2ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm和500ppm的乙醇?xì)怏w，其響應(yīng)

4、值分別為:2.8、4.6、4.9、16、27.4、48.8、71.9和100，其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為29和16s。與具有相同結(jié)構(gòu)特征的純ZnO或SnO2多孔空心球相比，Zn摻雜SnO2多孔空心球氣敏元件在靈敏度與穩(wěn)定性表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。
　　3、Zn2SnO4納米結(jié)構(gòu)的制備及其氣敏性能研究
　　采用水熱制備Zn2SnO4納米結(jié)構(gòu)并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。研究表明，通過(guò)改變水熱液的pH值，可以對(duì)其形貌及晶體生長(zhǎng)取向進(jìn)行調(diào)控。

5、在材料制備過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)溶液的pH值由9到11再到13時(shí)，Zn2SnO4的形貌由單一的納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米顆粒-納米棒并存，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米棒;Zn2SnO4生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向從(311)轉(zhuǎn)變?yōu)?331)，材料的比表面積也隨之增大。結(jié)果表明，pH為13時(shí)制備的樣品對(duì)乙醇?xì)怏w具有最好的敏感性能。在300℃的工作溫度下，該敏感元件對(duì)100ppm乙醇的響應(yīng)值達(dá)到30.7，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為10和9s。同時(shí)，該元件被放置15周，響應(yīng)值隨時(shí)間幾乎沒(méi)有變

6、化，表現(xiàn)出很好的測(cè)量穩(wěn)定性。
　　4、ZnO/Si-NPA的制備與濕敏性能研究
　　以硅納米孔柱陣列(Si-NPA)為襯底，采用溶膠-凝膠法結(jié)合旋涂技術(shù)制備了ZnO/Si-NPA，并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了表征。研究表明，旋涂于Si-NPA襯底上的ZnO納米晶粒大致呈球狀，平均粒徑為～5.87nm;ZnO/Si-NPA保持了良好的柱狀陣列結(jié)構(gòu)。通過(guò)制作電容型原型器件，對(duì)其濕敏性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)濕敏元件暴露于33％、

7、54％、75％、95％相對(duì)濕度環(huán)境中時(shí)，其靈敏度分別達(dá)到～124.5％、536.2％、2035.4％和5522％，元件的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為65s和48s。放置15周后，該元件的電容值變化相對(duì)較大，穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。
　　5、PVP修飾ZnO/Si-NPA的制備與濕敏性能研究
　　采用溶膠-凝膠法制備了PVP修飾的ZnO納米顆粒。光吸收譜測(cè)試表明，隨著PVP添加量的增大，ZnO的吸收邊先發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)Zn2+/PVP摩爾比

8、達(dá)到5∶3時(shí)，藍(lán)移最大;此時(shí)PVP修飾ZnO納米顆粒呈球形，分散性好且粒徑分布均勻，平均粒徑為3.52nm。繼續(xù)增大PVP的添加量，其吸收邊將發(fā)生紅移。對(duì)不同劑量PVP修飾ZnO納米顆粒/Si-NPA的濕敏特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著PVP的添加量的增大，PVP修飾ZnO/Si-NPA的靈敏度逐漸增加，但與此同時(shí)濕滯也逐漸增大。當(dāng)Zn2+/PVP摩爾比為5∶3時(shí)，元件的濕敏性能最佳。此時(shí)，當(dāng)PVP修飾ZnO/Si-NPA濕敏元件暴露于33％、