中空ZnO/SnO2/Zn2SnO4纳米纤维和无定形ZnSnO3微立方体的制备及气敏性能研究

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近几十年来,在众多研究人员的不懈努力下,金属氧化物半导体(MOS)气敏传感器得到了高速的发展。但是其灵敏度低、选择性差、对环境敏感仍然是当下研究者亟待解决的重要问题。本文以锌锡氧化物为研究对象,以制备高性能气敏传感材料为目标,结合目前半导体传感器的发展趋势及研究现状,进一步通过调整工艺参数制备性能良好的气敏材料,并结合物理化学特性表征、性能测试等手段对其气敏机理也进行了进一步的分析。本论文主要工作由2部分构成,具体内容如下:1、利用单轴静电纺丝设备,多孔中空结构的ZnO/SnO2/Zn2SnO4(ZTZTO)、ZnO/SnO2(ZT)和SnO2/Zn2SnO4(TZTO)纳米纤维被成功制备。通过热重分析(TG)、X射线粉末衍射(XRD),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM),透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术表征了多孔中空结构的ZTZTO、ZT、TZTO纳米纤维的物化特性。另外,多孔中孔结构的ZTZTO、ZT、TZTO纳米纤维的气敏特性也被用气敏测试系统详细地研究。实验结果表明,与ZnO/SnO2和SnO2/Zn2SnO4复合纳米纤维相比,基于多孔ZTZTO中空纳米纤维的传感器对C2H5OH显示出卓越的气敏性能。并且该传感器在相对不高的工作温度225℃下,对于浓度为200 ppm的C2H5OH的气敏响应值能达到97.39。这种卓越的气敏性能或许是因为材料的多孔中空结构提供的量的活性位点也可能和Zn2SnO4和ZnO,SnO2三种氧化物之间存在的电子转移有关。2、通过原位沉淀法和随后的湿法浸渍合成纯的和NiO修饰的单分散无定形氧化锌锡(a-ZTO)微立方体。XPS表征结果显示,通过NiO对a-ZTO微立方体的表面进行修饰,可以显著地改变a-ZTO微立方体的表面性质,其中在表面上的化学吸附氧的相对含量明显增加,而且,位于表面处的氧空位含量也有上升趋势。通过对气敏性能的分析发现,对于0.75at%的NiO修饰的a-ZTO微立方体的最佳工作温度为200℃。在此温度下,与纯样(即没有用NiO修饰的a-ZTO微立方体)相比,0.75 at%的NiO表面修饰的a-ZTO微立方体可以明显地优化传感器对HCHO气体的气敏性能。对于NiO修饰能提高a-ZTO微立方体气敏性能的可能的原因,我们也做了简要的说明。
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