二维SnSe纳米片的制备及其湿敏特性研究

来源 :湘潭大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fw1989
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湿敏传感器在工业过程控制、农业环境监测、医疗治疗、环境保护、核能领域以及日常生活等各个方面发挥着越来越重要的作用。为了满足高灵敏度、短响应/恢复时间、良好重复性和长期稳定性等日益增长的技术要求,人们致力于开发新型湿敏材料。近些年来,二维半导体材料因具有大的比表面积表现出高灵敏度、良好稳定性等优异的湿敏特性,被视为下一代湿敏传感器的有力候选材料,但仍然存在着响应/恢复时间较长等问题,对其进一步应用造成了一定的阻碍。基于此,本文综合利用纳米技术和材料复合手段,首先采用单片大尺寸的SnSe纳米片作为感湿材料,然后选用亲水性好的LiCl材料对其复合形成复合湿敏材料以加快对水分子的吸附和脱附,进而构建LiCl:SnSe纳米片湿敏传感器。论文具体研究内容和结果如下:(1)SnSe纳米片的制备研究。采用物理气相沉积法(PVD)的“face-down”工艺在云母片上制备了SnSe纳米片,研究了沉积温度、沉积时间、氩气流速及压强等工艺参数对SnSe纳米片形貌的影响,通过工艺优化制备出了横向尺寸在几微米至上百微米、厚度十多纳米至上百纳米的SnSe纳米片。同时,基于部分上述优化工艺参数,利用“face-up”工艺制备出了横向尺寸几微米的少层(几纳米厚)SnSe纳米片。(2)SnSe纳米片电阻型湿敏传感器的制备及LiCl复合改性研究。首先,制备了基于单片SnSe纳米片电阻型湿敏传感器,并对其湿敏特性进行了测试分析。结果表明,SnSe纳米片传感器表现出湿敏特性,其电流值随着相对湿度的增加而增大,并且具有较宽的探测范围(N295%RH)、较好的灵敏度、重复性和长期稳定性,其最大灵敏度、响应时间和恢复时间分别为1.4×104%、22 s和7 s。然后,通过浸渍法将LiCl复合到SnSe纳米片表面得到复合湿敏材料,进而构建LiCl:SnSe纳米片湿敏传感器。结果表明,LiCl复合对SnSe纳米片的湿敏特性起到明显的提升作用,相对湿度11%、34%、43%、51%、64%、76%、85%、95%下的电流值提高到复合前的111%、170%、110%、124%、288%、279%、283%、318%倍,最大灵敏度(3.21×105%)提高到复合前的23倍,响应时间(12 s)和恢复时间(4 s)分别缩短了45.5%和42.9%。(3)SnSe纳米片湿敏特性的微观机制理论计算研究。利用第一性原理计算的方法,首先根据能量最低原则,确定水分子在单层SnSe表面吸附的最稳定位置,然后分别对本征模型和最稳定位置水分子吸附体系进行计算,最后,根据电荷转移和键合情况对水分子吸附SnSe的微观机制进行分析。结果表明,C(on top of quadrilateral center)是最稳定的吸附位点,水分子吸附后,单层SnSe转移0.03e电荷到水分子,水分子扮演着受主角色,相当于p型掺杂,吸附方式为形成离子键的化学吸附。
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