高性能的氧化铟半导体气敏传感器的研究

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环境问题越来越成为人们关注的焦点,有害气体是目前环境污染和威胁生命健康的重要因素之一,因此开发高性能的气敏传感器快速精准的检测有害气体是目前研究的热点。本论文以In2O3气敏材料为研究对象,采用不同方法设计合成In2O3纳米结构材料并对其进行改性提高其气敏性能,从而制作了具有高性能的H2S、NO2和H2传感器。主要研究包括:1)采用溶胶-水热法合成出In2O3纳米棒(长110 nm,直径35 nm),然后利用NaBH4还原法在In2O3纳米棒的表面均匀修饰直径为1015 nm的Ag纳米颗粒,得到Ag-In2O3纳米棒复合材料。XRD和XPS分析证明Ag元素在In2O3纳米棒表面以单质银的形式存在。Ag可以增强氧的化学吸附,提高由于溢出效应而引起的H2S分子与氧离子之间的相互作用。同时Ag和In2O3纳米棒之间的电子转移也能够增强其气敏性能。因此,Ag纳米颗粒改性的In2O3纳米棒可以提高传感器对H2S的气敏性能,在室温下检测H2S气体具有很高的灵敏度。据实验结果得出,掺杂Ag纳米颗粒的比例为13.6 wt%时,对H2S具有最好的气敏性能。在室温下,对20 ppm H2S的响应值为93719,检测限为0.005 ppm。基于Ag-In2O3纳米棒复合材料的气敏传感器对H2S的检测还表现出良好的可逆性、选择性以及优异的重复性和稳定性。2)采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂先制备出In(OH)3纳米材料,然后退火得到In2O3纳米棒,并以此In2O3纳米棒为传感材料制作成气敏传感器。该传感器在较低的工作温度下对氧化性气体NO2和还原性气体H2S均表现出良好的气敏性能。在100 oC下,该传感器对于100 ppm NO2的响应值为336,响应-恢复时间分别为18和31秒;在室温(RT)下对于60 ppm H2S的响应值为1461,响应-恢复时间分别为86和111秒。对NO2和H2S两种气体,该传感器的检测限分别为0.001 ppm(100 oC)和0.005 ppm(25 oC)。此外,该传感器还具有良好的重复性、选择性和长期稳定性。3)采用水热法合成出介孔结构的In2O3纳米材料并将其制作成传感器。由于该材料拥有介孔结构,大的比表面积以及表面上有大量的化学吸附氧离子,该传感器在260 oC的工作温度下对H2响应-恢复速度非常快、响应高(对于500 ppm H2,响应值为18.0,响应-恢复时间分别为1.7 s和1.5 s),而且具有0.01ppm的检测限。此外,该传感器也表现出很好的重复性和长期稳定性。
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