氧化物微/纳结构有序多孔薄膜的合成及其对H2S气敏特性研究

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电阻型气体传感器由于其结构简单、成本低廉、操作方便等优点,已广泛应用于多种领域。然而,发展高灵敏、快速响应/恢复时间、高分辨率、高稳定性以及低检测限的高性能电阻型气敏器件目前仍然是人们所面临的挑战。本文从敏感材料微结构和电极衬底结构两个方面出发,研究掺杂、结晶性、薄膜制备方法以及电极衬底结构对电阻型气体传感器气敏性能的影响,主要取得了以下成果:  (1)发现了氧化物纳米颗粒复合诱导的增强气敏特性。通过对ZnO微/纳结构有序多孔薄膜进行CuO纳米颗粒的复合,实现了薄膜对H2S气敏特性的显著提高。ZnO/CuO复合薄膜灵敏度与H2S的浓度之间存在三种不同的特性:缓慢增加区,迅速增加区,饱和区。分析显示,这种气敏增强起因于颗粒复合导致p-n异质结的形成以及CuO对H2S的化学活性,从而为增强薄膜对H2S的气敏特性提供了新途径。  (2)揭示了薄膜结晶性对气敏性能的影响。通过退火处理,获得不同结晶性的α-Fe2O3微/纳结构有序多孔薄膜,揭示了退火温度、结晶性与晶粒尺寸之间的关联;微结构分析表明α-Fe2O3薄膜的晶粒尺寸受退火温度影响较大,而结晶性又会影响氧化物薄膜的气敏性能。通常情况下,结晶化程度越高,晶粒尺寸较大,灵敏度反而降低;适度的结晶性可以获得灵敏度和选择性较好的薄膜。这对高气敏特性与高稳定性的器件研制具有借鉴作用。  (3)构建了自组装单层氧化物颗粒薄膜器件。提出了气-液自组装与无损转移相结合的薄膜器件制作新思路,成功构建了单层CuO颗粒薄膜气敏器件;发现了这种器件对H2S具有强的室温气敏特性,而在高温时则没有响应;揭示了薄膜高、低温的不同响应行为机制,从而为设计、研制高选择性的传感器阵列提供了依据与材料。  (4)设计制作了微间距电极对的新型气敏器件。提出了含有微间距电极对的传统器件结构改进方案;发明了基于细丝的微间距电极对的制作方法,在陶瓷管衬底上成功制备出间距仅数微米的电极对;显著降低了器件的电阻、提高了器件的灵敏度、稳定性、分辨率与检测限。这一方法具有普适性和实用价值,可为传统气体传感器件实现高性能化提供了高效而又简便的途径。
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