纳米线阵列气体传感器及便携式气相色谱技术研究

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气体检测技术是仪器科学领域重要的研究方向,而气体传感器是气体检测技术中的重要的组成部件。基于纳米结构的传感器具有体积小,灵敏度高,功耗低等优势,该类气体传感器的研究近年来一直是气体检测领域研究人员关注的热点。在众多纳米结构中,一维纳米结构不但具有大的表体比而且仅在单一维度上输出信号。这些特性有利于提高基于一维纳米结构气体传感器的传感性能。然而,目前一维纳米结构的制作存在很多问题,如成本高,可重复性差,步骤复杂等,进行大规模的一维纳米结构的制作仍然具有挑战性。因此,本论文首先开展了大规模纳米线加工技术的研究,随后开发了一系列基于纳米线结构的气体传感器,最终研究了以纳米线气体传感器为检测器的便携式气相色谱技术。本文主要研究成果和内容包括:本论文开展了基于软光刻的纳米毛细管成型技术研究。利用硬质硅基纳米模板,采用压印技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)软质基底上,制作了大面积的纳米沟道;随后在毛细作用力的作用下,将高分子导电聚合物材料溶液和金属氧化物半导体前驱体溶液灌入毛细通道,随后通过溶剂挥发和加热退火工艺,在硅基底上制作了大面积的整齐有序排列的导电高分子纳米线和金属氧化物纳米线阵列。该研究明确了模板和纳米线分离工艺中的关键参数,以及金属氧化物半导体前驱体的转化条件。本论文开展了基于一维纳米结构的气体传感器的研究。分别制备了基于聚(3,4-乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)纳米线阵列的气体传感器和基于半导体金属氧化物In2O3纳米线阵列的气体传感器;PEDOT:PSS纳米线阵列在室温下对多种有机气体(如丙酮、乙醇)产生了电学响应,半导体In2O3纳米线阵列在250℃加热的条件下对无机气体(如NH3、NO2)能产生电学响应;探究了纳米尺度下肖特基效应对氧化铟纳米线电学性能的影响及电学传感响应的物理机制,并完成了这些传感器感特性的测试。本论文开展了以纳米线气体传感器为检测器的便携式气相色谱技术的研究。研究了纳米线气体传感技术与气相色谱技术的联用技术,证明基于PEDOT:PSS纳米线阵列的传感器具有作为高性能气相色谱检测器的潜力;开展了便携式气相色谱分离系统的搭建工作,完成了气相色谱样机的设计和组装,该样机成功将富集模块、色谱柱模块、及电路控制系统有效整合。测试结果表明,该系统可对部分混合有机气体进行有效的分离。
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