二氧化锡纳米纤维乙醇气敏响应的影响因素和机制研究

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器件小、成本低、稳定性高、响应强度高以及选择性优异的气体传感器在食品、医疗、制造业、环境、安全等领域都有着广泛的应用需求。得益于纳米技术的发展,电化学气体传感器得到越来越多的关注,同时也取得了飞跃式的进展。其中,金属氧化物半导体电阻型气体传感器的响应强度高、成本低、器件小和优异的长期稳定性能使得其研究深度和体量都非常可观,但是其响应性能仍有待于进一步的提高。影响其响应性能的因素非常多,主要有敏感材料的化学组成、晶粒尺寸、微观形貌、催化性能以及敏感层的厚度等。在电阻电位型多变量气体传感器中,电解质基底也会影响其电阻响应性能。本文分别研究了电解质基底、敏感层厚度和敏感材料催化性能对电阻响应性能的影响机制。具体工作如下:(1)通过在多种电解质基底上制备了不同厚度敏感层的气体传感器,并在不同温度下对几种标准气体进行了响应测试。结果表明:电解质基底主要通过分流作用影响了电阻信号的测量。通过增加敏感层厚度,降低敏感材料的电阻可以减弱电解质基底对气体传感器电阻响应性能的影响。(2)在绝缘基底上制备了不同厚度敏感层的气体传感器,在不同温度下对乙醇气体进行了响应性能的测试。结果表明:敏感层厚度能够对气体传感器的响应性能产生显著的影响。比如,敏感层厚度可以改变气体传感器的响应强度与目标气体浓度在双对数坐标系中的曲线斜率,也可以改变气体传感器的最佳响应温度等。(3)最后借助真空紫外光电离质谱仪(SVUV-PIMS)对典型金属氧化物半导体SnO2对乙醇的氧化产物进行了检测。得益于SVUV-PIMS的高灵敏度和高分辨率,探测到了包括多种不稳定反应中间产物和自由基在内的一系列物质,并探讨了这些物质随温度的变化关系。给出了乙醇在SnO2表面氧化的可能方案,对反应产物与响应性能之间的关系进行了解释。文末简述了本工作存在的不足和展望,为进一步提高气体传感器的响应性能和深入理解气体传感机理提供了研究思路。
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