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当前的氨气污染问题越来越突出,空气中过高浓度的氨气不利于人体健康,在一定条件下氨气还有爆炸危险。因此研究室温下具有高灵敏高响应、可被广泛应用的氨气传感器具有重要意义。电阻型半导体气敏传感器由于工艺简单、价格低廉以及便于携带等优点而受到广泛关注。其原理是通过敏感材料表面与气体分子间发生电子转移而使得材料电信号发生改变,因此敏感材料表面结构特性是决定气敏性能的主要因素之一。具有二维层状结构的半导体由于具有优异的表面结构可调控性,而成为当前电阻性半导体气敏材料的研究热点。 本论文基于SnS2二维层状材料,探讨了SnS2表面的气体分子吸附特性,并通过在SnS2表面复合SnO2、减薄增大比表面积和表面活性以及增加表面硫空位浓度等途径改变SnS2表面结构特性,试图通过表面结构调控手段获得具有高响应值、快速响应、快速回复的SnS2敏感材料,并将SnS2的表面特性与氨气气敏性能建立联系,为后续的二维层状材料的气敏特性研究提供新的视角。 首先是制备SnS2层状材料并研究表面的气体的吸附特性。通过水热法制备得到了SnS2层状材料,表征发现SnS2主要以层状纳米片的形式存在。在光激发下对比空气和氮气为背景气氛下的氨气响应表明,氨气和氧气气体分子均能在SnS2表面单独吸附。此外还发现氨气和氧气气体分子在SnS2表面的吸附具有相互促进作用,解释了在空气下氨气响应随浓度变化出现类似饱和的现象。 基于SnS2表面气体吸附特性研究的结果,本研究通过在SnS2表面复合SnO2来提高室温下对氨气的响应。将 SnS2在空气中氧化的方式在表面复合 SnO2颗粒,改变氧化时间可以调控表面与SnO2间的接触,通过XPS等表征手段发现SnS2表面与SnO2颗粒之间具有异质成键,即S-Sn-O键。室温下氨气测试发现表面复合SnO2后对氨气具有较高的响应值(100 ppm的响应值为1.89),这是由于SnO2的功函数更高,SnS2中的电子会流向SnO2,增加SnO2表面的吸附氧浓度,同时也促进了SnS2表面对氨气的吸附,具有很好的协同作用;但这种协同效果受S-Sn-O键的数量控制,这是由于 SnS2与 SnO2间的价键控制了电子在两相间的转移程度,界面成键越少则界面态引起的晶界势垒越高,通过的电子数目也就越少,协同效果难以显现;此外计算发现在 SnS2与 SnO2界面处的价带和导带几乎重合,说明界面处的载流子浓度很高,有利于气体的吸附,提高了气敏性能。 针对前一工作中材料响应慢的问题,本研究通过将层状SnS2减薄,从提高SnS2表面整体活性的角度来提高氨气的气敏性能。选择了具有产量高、成本低等优势的锂离子插层减薄法将SnS2层状材料减薄,通过改变工艺参数结合减薄机理,探索出了合适的SnS2减薄工艺。TEM、AFM表征发现最后得到的SnS2薄片只有1-3个原子层厚度。制备得到的SnS2类石墨烯结构在室温下氨气气敏测试中表现出优异的气敏响应(100 pp m的响应值为2.10,响应时间为109s,200 pp m以上只需二三十秒),这是由于减薄之后SnS2的比表面积和表面活性得到提高,氨气分子与材料表面原子反应变快,有效的提高了响应速度。 为了提高回复速度(回复时间通常需几十分钟),在 SnS2类石墨烯结构表面引入缺陷以继续提高表面活性。通过改变减薄工艺,使得SnS2在减薄过程中经过盐酸处理。结果表明,经过盐酸处理后,SnS2薄片表面的硫空位浓度增加。气敏测试发现盐酸处理后的SnS2薄片室温下对氨气的气敏响应性能有了更大的提高(100 pp m的响应为2.97),回复能力变强(100 ppm回复时间为267s)。这是由于硫空位的大量存在使得氧气分子容易发生解离吸附,产生能与氨气气体分子直接反应的高活性吸附氧原子,避免氨气分子直接在表面缓慢的脱附,提高了响应值及回复能力。