基于金纳米颗粒修饰的氧化锌气体传感器件性能研究

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当前,在日常生活、医疗健康和工业生产等诸多领域中都需要对环境中的一些气体进行种类和浓度的监测,例如监测大气环境中的二氧化硫等大气污染气体浓度,通过检测人体呼出的特殊气体用以诊断疾病等。而各式各样的气体传感器均可以在一定程度上实现对气体的种类和浓度进行甄别和检测的功能。相比于一些操作复杂的大型传感设备、或者工作的稳定性不足和造价昂贵难以大面积使用的传感器来说,以金属氧化物半导体(如目前广泛应用的氧化锌、氧化铟、氧化锡和氧化铜等)为基础敏感材料的传感器因气体传感响应好、稳定性强、使用寿命长、廉价便携等诸多优势而被广泛使用。其中传感器的敏感材料决定了气体传感器的传感性能,因此研究敏感材料的制备和敏感材料的改性优化对传感器性能的影响具有极大的意义,这也就导致了敏感材料对气体的反应改性成为了当前半导体式传感器研究内容中的热点。目前发现并且已经投入使用的许多不同种类的金属氧化物半导体敏感材料普遍存在一些应用上的缺陷,比如用于检测低浓度气体等。为了解决这些问题,提升半导体式传感器的使用性能,使之满足更多要求更高的气体传感检测,需要对半导体材料本身进行优化和改性。因此,本论文中采用具有高的比表面积、导电通道易控制,制备方法简单的一维氧化物纳米结构为基础,以提升传感器在各种不同条件下的传感性能,尤其以降低传感器工作温度为目的。传感材料上采用无毒易得,价格低廉的氧化锌为研究对象,主要使用静电纺丝的方法进行一维纳米纤维的制备并通过贵金属修饰的方法来改善其传感性能。而传感器的改性主要通过调控金属氧化物半导体表面的活性位点、材料内部载流子浓度和传感过程中的物理过程和化学反应过程。并对实验中所进行的一些改性手段对传感材料的敏感性能的影响机理进行了必要的探究。本文的研究工作主要从下面几个方面展开实验和探究:(1)氧化锌纳米材料的形貌调控及传感性能研究。改进制备手段增大作为基础敏感材料的氧化锌纳米纤维的比表面积,人为调控增加或者制造敏感材料表面缺陷而引入活性位点。实验分别用水热法制备了长度较短且表面光滑的氧化锌纳米棒和静电纺丝法制备了由颗粒堆积,表面粗糙的氧化锌纳米纤维。除此之外还用商用纳米纤维和经过等离子体处理过的纳米纤维(由静电纺丝法制备)一同进行气敏测试以进行比较。气敏测试结果表明,相比于商用的和水热法制备的光滑纳米棒,纺丝法制备的纳米纤维由于其高的比表面积而拥有更佳的传感响应。此外,由静电纺丝法制备的纳米纤维进行等离子体处理材料表面以后,其传感性能又会进一步提升。通过对不同结构以及形貌的氧化锌纳米纤维的气体传感性能表现进行分析总结以后,发现对于同种基础敏感材料(指氧化锌),其在气体传感方面性能的增强与材料的比表面积大小和材料表面的缺陷数量具有非常强烈的相关性。(2)贵金属负载物金颗粒修饰氧化锌纳米材料的气体传感性能研究。分别从贵金属负载物的颗粒的尺寸、负载物的数量和分布等方面进行了系统的研究。(i)实验用金卤灯光照作为辅助,用氯金酸水溶液浸泡还原的方法以实现在静电纺丝法制备的氧化锌纳米纤维表面修饰上粒径在纳米量级的金颗粒,随后对处理得到的金负载纳米纤维进行再次不同温度的退火处理,并借由温度差异来控制修饰的负载金颗粒的粒径变化。气敏测试结果表明,所有经过纳米量级金颗粒修饰后的氧化锌纳米纤维的各个方面的传感性能都有了极其明显的提升。金颗粒粒径不同时,传感器具有不同的改性表现。负载金颗粒的颗粒直径相对较小时,敏感材料对降低测试温度的改性效果更为明显,且得到的响应更快。而金颗粒粒径较大的材料在低温下的传感性能改善比较有限。(ii)在探究用于修饰改性的负载金颗粒的颗粒直径大小对基础传感材料的敏感性的影响外,实验还对相同粒径的金颗粒在不同数量的情况对氧化锌材料传感性能的影响进行了分析。不同浓度金颗粒负载敏感材料的气敏测试结果则进一步表明,小粒径金颗粒的修饰改性,能够非常明显的降低敏感材料参与传感反应的温度,使之降低至125℃,且在更低的测试温度下(50℃)也具有优秀的传感表现。而金颗粒的数量影响着传感响应和响应的时间,少量或者过多的纳米金颗粒都不利于提升传感器的性能。对修饰了小尺寸纳米金颗粒负载物的基础敏感材料(纯氧化锌纳米纤维)气体传感性能的研究表明,小尺度的金颗粒的修饰能够从不同角度来促进传感反应的过程以优化发氧化锌纳米纤维的气敏性能,其主要原因是材料间形成的肖特基结以及金等贵金属纳米颗粒的在金属氧化物半导体表面催化效应以及电子溢出效应。
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