分級結(jié)構(gòu)ZnO陣列的電流體直寫制備及氣敏性能研究.pdf

1、ZnO納米材料是最有前景的氣體傳感器功能材料，實(shí)現(xiàn)ZnO氣體傳感器的多功能一體化是氣體傳感器發(fā)展的必然趨勢，但電子鼻或氣體傳感器陣列具有電路復(fù)雜、器件性能易受影響、故障率高、體積較大等缺陷。以可控的方式來實(shí)現(xiàn)ZnO氣敏功能材料的大面積圖案化不但能解決上述問題，簡化電路，還能優(yōu)化ZnO氣體傳感器的氣敏性能，推進(jìn)氣敏器件的多功能一體化發(fā)展。已有的圖案化工藝有壓印法、沉積法、刻蝕法、傳統(tǒng)噴墨打印等，它們大都要求高溫、高真空，過程復(fù)雜，分辨率低

2、，需要掩?；蚰＞?，設(shè)備比較昂貴，違背了氣體傳感器低成本、普適性的要求。本學(xué)位論文基于力控靜電紡絲法和水熱生長法制備了圖案化分級結(jié)構(gòu)ZnO納米棒陣列氣敏功能材料，并進(jìn)行性能表征和優(yōu)化，主要研究工作和創(chuàng)新如下：
　　本文通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)深入研究了靜電紡絲過程中溶液參數(shù)和工藝參數(shù)對靜電紡絲工藝的影響，包括分子量、溶液濃度、工藝電壓、電極間距、噴嘴內(nèi)徑等，得到了這些參數(shù)對纖維直徑和形貌的影響規(guī)律，提高了工藝的可控性。結(jié)合傳統(tǒng)靜電紡絲和近場靜電

3、紡絲的優(yōu)點(diǎn)，提出力控靜電紡絲工藝MES。MES通過減小噴嘴與基板的距離以改善纖維定位，能直寫制備高精度纖維圖案，電場的作用是產(chǎn)生泰勒錐并拉出射流。機(jī)械拉力是由運(yùn)動平臺產(chǎn)生的，其大小是由運(yùn)動速度調(diào)控的，進(jìn)而用于輔助射流定位和控制沉積圖案的纖維直徑。
　　采用力控靜電紡絲輔助水熱合成法(MES-CHSM)以可控的、無掩模的方式成功制備了圖案化分級結(jié)構(gòu)ZnO納米棒陣列(ZnO-NAs)。制備過程分為兩步：首先，用力控靜電紡絲法將ZnO前

4、驅(qū)體種子溶液在基板上定位直寫成纖維圖案，退火后生成ZnO的種子層；其次，采用水熱法生長成ZnO納米棒陣列。ZnO納米棒的直徑、間隔、朝向和分布等都可以通過改變生長時間、生長溶液濃度、前驅(qū)體濃度以及 MES工藝中圖案纖維的間距進(jìn)行調(diào)整。
　　ZnO-NAs可以用作氣體傳感器的功能材料，其形貌和分布都會對氣敏性能有很大的影響，形貌和分布又是由MES-CHSM的工藝參數(shù)決定的。無論是在空氣還是在NO2氛圍中，ZnO-NAs與叉指電極間都

5、表現(xiàn)為優(yōu)異的歐姆接觸。ZnO-NAs氣體傳感器有高靈敏度和可重復(fù)性，其對NO2的靈敏度與工作溫度有關(guān)，在200℃到225℃之間的工作溫度下，ZnO-NAs氣體傳感器具有最高的靈敏度。對于通過不同的工藝參數(shù)制備的樣品，靈敏度隨NO2濃度增加表現(xiàn)出兩種規(guī)律：近似線性增加關(guān)系和趨于飽和關(guān)系。選擇最佳的工藝參數(shù)可以推遲飽和區(qū)的發(fā)生，擴(kuò)大測量范圍。
　　利用MES-CHSM和光還原法制備了分級結(jié)構(gòu)Ag/ZnO納米棒陣列，ZnO納米棒表面的A