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在科技和工业化越来越发达的21世纪,环境污染、安全生产等问题越来越受到大家的关注。气体传感器在环境监测、军工和高科技领域有着其自身不可替代的作用。为了提高气体传感器的性能,近年来人们开始把目光转向了材料领域研究的热点对象--纳米材料。纳米材料具有独特的小尺寸效应、表面效应等,在突破传统体材料气体传感器性能上具有非常大的潜力。钒氧化物晶体具有层状结构和很强的各向异性,它的这些特殊的物化性能使其在热致变色、电致变色、光学和电学中有着广泛的应用。近些年,五氧化二钒作为气敏元件材料的应用受到了各国材料科学家们越来越多的关注。
本文研究了一维钒氧化物纳米材料阵列的制备方法,讨论了基于一维钒氧化物纳米材料阵列的气敏元件制备和测试的方法并对其气敏性能进行了初步探索。得到了以下结论:
(1)以孔径200 nm,厚度10μm的放射物侵蚀的亲水性聚碳酸酯薄膜作为模板,通过电泳沉积的作用将五氧化二钒溶胶沉积进入PC模板孔道。然后采用热处理的方法将PC模板烧失。
(2)采用XRD、SEM、TEM和紫外可见吸收光谱分析等手段对材料的形貌和物相等进行了表征,发现钒溶胶在电泳沉积的作用下是随机堆叠进入PC模板的孔道,没有结晶。在380℃热处理过程中,V2O5沿着(600)方向择优生长,其他如(300)方向的V2O5和(500)方向的V2O5·3H2O则停止生长,只留有少部分分布于纳米棒周围。通过紫外可见吸收光谱的计算出材料的禁带宽度在2.8 eV左右,大于体材料V2O5的禁带宽度(2.24 eV左右),其原因是纳米材料小尺寸效应和表面效应共同作用的结果。
(3)对一维钒氧化物纳米材料阵列的气敏性能进行测试,发现其在180℃下,对500 ppm的乙醇气体具有良好的响应,而相同条件下基于V2O5薄膜的气敏元件则没有表现出对乙醇的气敏响应,V2O5薄膜在250℃下才对500 ppm的乙醇气体有响应。展现出了纳米尺度的材料比传统体材料的气敏材料在灵敏度和工作温度等性能上的优势。