纳米结构对TiO2湿敏传感器的影响机理研究

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静电纺丝是一种能够直接、连续制备聚合物纤维的方法。本文中,我们从探讨静电纺丝原理出发,研究了平行静电纺丝和磁化静电纺丝中纤维的动态行为。之后,采用平行静电纺丝法成功制备了氧化钛纤维薄膜和单根纤维湿敏传感器元件,研究了其湿敏性能和电输运性能。   首先,本文利用有限元数值分析方法(Comsol等软件)模拟静电纺丝过程。通过建立静电纺丝过程的物理模型和电磁场的数学模型,研究模型中电极和磁铁改变对电磁场的影响,计算了电磁场的变化规律和纤维的受力情况。同时,根据理论研究结果进行了一系列的对比实验,推测出了纤维的运动规律,提出了一种静电纺丝中纤维的运动概率模型。模型认为,只有当两平行电极所形成的分离区恰当时才可能形成取向排列的纤维。磁铁的引入反而因为磁力的影响让分离区面积变大,降低了纤维取向排列的概率。   然后,本文通过平行静电纺丝的方法成功制备了氧化钛单根本征、掺杂和管状纤维。通过一系列的电性能测量发现,纤维阻抗随着湿度的增加而降低,水分子吸附时阻抗降低,脱附时阻抗升高。随着掺杂浓度的提高,纤维在不同湿度下的阻抗均降低。掺杂提高了200Hz测量频率下纤维在不同湿度氛围中切换的响应特性曲线线性度。管状纤维比表面积大,具有最低的阻抗,管状结构提高了纤维在高湿度间切换时的响应恢复性能。掺杂5%的纤维在100%~20%湿度中切换时归一化比值最高,灵敏度最高。所有纤维的感湿特性曲线都属于第Ⅳ种等温吸附模型,跳跃区和渐变区分别对应于第一层和多层水分子的吸脱附过程。元件低湿度适用于电路模型Ⅰ,高湿度下适用于电路模型Ⅱ。直流I-V曲线中,纤维出现了充电现象、微分负阻现象和电双稳态现象,该现象在掺杂5%纤维中最明显。以上三种现象只有当水分子所产生的载流子和掺杂的载流子共同达到某一范围时才能出现。管状纤维改变了载流子的分布,放大了水分子形成载流子的作用,这三种现象对湿度更加敏感。通过对以上结论的分析和总结,我们提出了一种水分子在氧化钛单根纤维中的吸附模型。
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