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金属氧化物半导体气体传感器因其具有结构简单、成本低廉、灵敏度高、工艺成熟等优点,使其在可燃性气体、毒性气体的检漏报警,环境气体的监控等领域取得了广泛的应用。
SnO<,2>、ZnO作为传统的金属氧化物气敏材料,自60年代以来广大的科研工作者已进行了广泛而深入的研究,使其SnO<,2>基、ZnO基气体传感器在民用和工业等方面的应用得到很大的发展。但到目前为止,此两类气体传感器仍存在选择性低、功耗高、稳定性差的缺点,严重限制了其产品的应用推广。SnO<,2>、ZnO的敏感机理都属于表面控制型,其粒子尺寸、表面状态和氧气吸附量在材料气体灵敏度方面扮演重要角色。一维纳米材料因其具有高的比表面积而成为有潜力的气敏材料。但目前为止,大多数的研究集中在烧结粒子或薄膜方面,而对于一维纳米材料的气敏性质研究较少。
在本文中,我们用水热法合成了ZnO纳米棒并讨论了其元件的气敏性能,发现产物的相成分和气敏性能与制备条件有关。不同条件下制备的ZnO纳米棒元件对乙醇和硫化氢气体有很好的灵敏度,并可通过选择温度范围来提高对乙醇和硫化氢两种气体的选择性,尤其是元件在室温条件下对硫化氢气体具有很高的灵敏度和选择性,在室温下可探测低至0.1 ppm的H2S。元件对低浓度的乙醇有很高的灵敏度、好的选择性和快的响应恢复时间,这使ZnO纳米棒传感器有希望成为检测低浓度乙醇的实用材料。
以硝酸锌和六次甲基四胺为原料,CTAB为形貌控制剂,分别利用直接一步水解法和水热法合成了ZnO分枝纳米棒和微米棒,讨论了反应条件对其形貌的影响,并推断了其可能的生长过程。研究了ZnO纳(微)米棒的气敏性质,发现元件对乙醇有都高的灵敏度和很好的响应恢复特性。对三乙胺和硫化氢气体虽具有很高的灵敏度且能够探测较低浓度的气体,但其响应恢复时间很长,不利于材料的实用化。
粒径在纳米级甚至微米级的空心球因其特有的核.壳空心结构及高的比表面积其它具有许多优异的物理化学性能,从而使其在气体传感器领域有很好的应用前景。我们以葡萄糖为原料用水热法成功制备了碳球,并以碳球为模板制备了SnO<,2>、ZnO空心微米球,研究了两种空心球的气敏性能并探讨了其敏感机理。我们发现SnO<,2>空心球元件在150℃时对(C<,2>H<,5>)<,3>N气体有很高的灵敏度、良好的选择性和较短的响应时间,尤其是对1ppb的(C2H5)3N在150℃时的灵敏度仍达7.1。值得注意的是,在250℃时对0.1 ppm乙醇的灵敏度为2.7。ZnO空心球则在175℃和400℃分别对(C<,2>H<,5>)<,3>N和C<,2>H<,5>OH表现出最高的灵敏度和较短的响应时间。在最佳工作温度下,ZnO空心球元件对1 ppb(C<,2>H<,5>)<,3>N和0.1ppm乙醇的灵敏度分别为3.5和3.8。SnO<,2>、ZnO空心球有望成为检测微量(C<,2>H<,5>)<,3>N和(C<,2>H<,5>)OH气体的实用化传感器。
本文以辛胺作软模板在温和条件下合成了有机/无机杂化SnO<,2>空心球。探讨了反应条件对其形貌的影响并测试了其气敏性能。空心球元件在150℃对1000ppm乙醇有很高的灵敏度,在此温度下能够检测到0.1 ppm的乙醇。在室温下对10 ppmH<,2>S的灵敏度达2887,对0.1 ppm:H<,2>S的灵敏度为3。我们所制备的空心球材料可用作低温检测低浓度乙醇和硫化氢气体。
采用Zn(NO<,3>)<,2>·6H<,2>O和SnCl<,4>·5H<,2>O作为起始原料,控制适当的pH值和反应时间,在180℃温度条件下水热法得到Zn<,2>SnO<,4>纳米粒子。采用静态配气法测试了材料的气敏性能。结果表明:在180℃水热条件下可直接合成Zn<,2>SnO<,4>。纯Zn<,2>SnO<,4>乙醇气体具有较好的灵敏度,首次测定了Zn<,2>SnO<,4>-SnO<,2>纳米粒子对丙酮的高灵敏度。