基于方酸菁的有机薄膜气体传感器的研制与性能研究

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随着社会经济的快速发展,大气污染问题日益严重,导致人们对高效的气体传感设备有更加迫切的需求。常见的气体传感材料主要是一些半导体金属氧化物,但该类材料存在着工作温度高、选择性差、灵敏度低等缺点。相比之下,有机薄膜气体传感器却具有工作温度低、制备简单、选择性强、材料多样性等优点,引起了研究人员的广泛关注。持续开发新型有机气体传感材料,对提升气体传感性能具有重要意义。  方酸菁具有独特的共振双离子结构,作为一种常见的有机染料,具有高的摩尔消光系数、低带隙以及在可见光至近红外波长范围内有很强的吸收和发射等性能,因而在太阳能电池、光电传感、场效应晶体管等领域已经有了大量的应用。但其在气体传感领域的研究尚未被报道。研究表明,有机材料的气体传感性能与光电性能对材料的结构有相似的要求,因此,受该类有机物的独特性能与广泛应用的启发,本论文将该类材料引入气体传感领域。设计合成了一系列基于方酸菁基团的有机化合物、聚合物以及纳米粒子掺杂的聚合物,制备基于叉指电极形式的薄膜传感器,测试其对于氨气,湿度的传感性能,实现了高性能的气湿传感。主要从如下几个方面展开:  (1)设计合成了一个基于方酸菁的有机共轭小分子并制备成有机薄膜气体传感器件。该器件对氨气的最低检测限可达40 ppb,是目前报道过的有机小分子气体传感器中最低的。它具有短至44 s/135 s的响应/回复时间,出色的选择性和较好的时间稳定性。  (2)设计合成了一种基于方酸菁的共轭聚合物(PMPS),引入D-A结构增强该聚合物的电学性能。测试结果表明该材料的湿度检测范围在33%RH-95%RH,低湿到高湿转换时的响应时间和回复时间为3 s/16 s,且在任意湿度下的湿滞均低于4%,通过阻抗图谱模拟出电路图,用于解释器件湿敏传感机理。  (3)设计合成了一种基于方酸菁的共轭聚合物(PPPS),在引入D-A结构的同时,通过表面负载金纳米粒子,提高该材料的湿敏性能。结果表明,该材料的湿度检测范围非常广,达到11%RH-95%RH,低湿到高湿转换时的响应时间和回复时间为1 s/3s(已报道的湿敏聚合物中最快),且在任意湿度条件下的湿滞均低于2%。基于该材料研发试制了一种便携式呼吸快速检测仪器。这种通过掺杂金纳米粒子来提高传感器件性能的方法对今后有机气体传感器件的研制具有重要的借鉴意义。
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