基于WO3和N3/ZnO半导体材料气体传感器的研究

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近几十年来,随着工业社会的发展,人们在日常生活中接触的气体种类越来越多,如装修行业中经常碰到的有机挥发性气体(如苯、甲苯、丙酮和甲醛等),汽车尾气排放中释放的有毒有害气体(如NOx、NH3、H2S、SO2等),家庭燃气中涉及到的易燃易爆气体(如H2、CO、CH4);这些气体不仅污染环境,而且严重危害人类的安全和健康。因此,对这些有毒有害气体的检测需求日益增大。为了应对实际气体的检测需求,气体传感器须具有材料合成简单、灵敏度高、响应迅速、检测范围广、选择性好等特性。半导体氧化物材料,如WO3、ZnO、TiO2、SnO2等,具有优良的化学和热稳定性,同时基于半导体氧化物材料的气敏元件具有价格低廉、制作简单以及灵敏度高等优点,从而得到很多研究工作者的青睐。WO3是一种典型的n型半导体材料,已被用于检测NO2、NH3、H2S和C2H5OH等气体。然而,很少有将三氧化钨材料用于检测氯气的报道,因此开发基于WO3新型氯气传感器引起了我们的兴趣。除此之外,为了降低氧化锌(ZnO)基气体传感器的最佳工作温度同时提高气体传感器的灵敏度,很多研究人员将目光放在不同种类半导体(SnO2、CuO等)或贵金属(Pt、Pa、Au等)掺杂以及紫外光激发增敏等方式,但到目前为止,还没有关于通过染料(如N3染料)掺杂改善半导体材料气敏性能的报道。本论文面向构筑高性能WO3和ZnO气敏传感器的主要工作如下:1:我们以WCl6为金属盐,通过改变材料合成过程中溶剂的种类,采用简单水热法制备出三种完全不同形貌的WO3材料。讨论了溶剂的极性对WO3材料形貌影响的机理。气敏测试结果表明:和WO3纳米棒状和纳米片状材料相比,颗粒状WO3材料对氯气有非常高的灵敏度以及极低的检测下限。X射线衍射(XRD)、光致发光谱(PL)和拉曼光谱(Raman Spectra)分析表明颗粒状WO3材料更好的气敏性能源于其较高的结晶度以及更高的表面氧空位浓度,并提出相应的气敏模型。2:以醋酸锌为金属盐,N3染料为掺杂剂,通过水热法合成出不同浓度N3染料原位掺杂的花状ZnO材料。气敏测试结果表明:相比于黑暗条件和紫外光下,在绿光的照射下,经过N3染料掺杂的ZnO对乙醇有着更高的的灵敏度、更快的响应速度以及更低的检测下限。紫外可见吸收光谱表明N3染料的掺杂能够显著提高ZnO材料在可见光范围内的吸收强度,并在此基础上提出基于N3染料掺杂的可见光气敏增强机理。
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