ZnO基傳感器的氣敏和濕敏特性研究.pdf

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1、AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofDoctorGasandHumiditySensingPropertiesofSensorsbasedonZn0ByWenchuangWangSupervisor：Prof．XinjianLiCondensedMatterPhysicsDepartmentofPhysics，ZhengzhouUniversityApr,2014學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)

2、人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者：形旦I斟日期：1夕力多年彭月餾日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬鄭州大學(xué)。根據(jù)鄭州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)鄭州大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或者其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。本人離校后發(fā)表、使用學(xué)位論文或與該學(xué)位論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)

3、，第一署名單位仍然為鄭州大學(xué)。保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。學(xué)位論文作者：刁殳閣日凝：矽?0年毒竅

4、8日摘要自從1962年發(fā)現(xiàn)ZnO材料的電導(dǎo)率會(huì)隨環(huán)境氣氛發(fā)生變化以來，有關(guān)ZnO基氣、濕敏傳感器的研究就一直受到人們的關(guān)注。近年來，隨著納米科技與相關(guān)制備工藝的快速發(fā)展，ZnO基敏感材料的制備技術(shù)已臻成熟，如何提高傳感器的敏感性能成為研究的重點(diǎn)。本文從納米ZnO的結(jié)構(gòu)與形貌控制、摻雜、復(fù)合和修飾出發(fā)，制備了幾種ZnO基材料體系，并通過制作傳感器原型器件，對(duì)其相應(yīng)的濕度或氣體敏感性能研究，分析了相關(guān)的敏感機(jī)理。論文取得了以下主要研究結(jié)果：1、多孔片層ZnO球的制備及其氣敏性能研

5、究采用水熱法制備了多孔片層ZnO球并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過制作電阻型原型器件，研究了其對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性能。結(jié)果表明，該氣敏元件的最佳工作溫度為280oC。在此溫度下，元件對(duì)2ppm乙醇的靈敏度達(dá)到2．8，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為10和15S，且在2-500ppm乙醇?xì)怏w濃度范圍內(nèi)的響應(yīng)曲線具有很好的線性度。與目前商業(yè)ZnO粉末氣敏元件相比，基于多孔片層ZnO球的氣體傳感器優(yōu)勢(shì)在于其具有更低的工作溫度和更高的靈敏度。2、Zn摻雜Sn02多孔空心球的制備及其氣敏性能研究以碳球?yàn)槟０?，采用直接沉淀法制備Zn摻雜Sn02多孔空心球，并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過制作電阻型原

6、型器件，研究了其對(duì)乙醇?xì)怏w的敏感性能。結(jié)果表明，在240oC的工作溫度下，該氣敏元件對(duì)乙醇的響應(yīng)值最大。對(duì)于2ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm和500ppm的乙醇?xì)怏w，其響應(yīng)值分別為：2．8、4．6、4．9、16、27．4、48．8、71．9和100，其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為29和16S。與具有相同結(jié)構(gòu)特征的純ZnO或Sn02多孔空心球相比，Zn摻雜SnO：多孔空心球氣敏元件在靈敏度與穩(wěn)定性表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。3、Zn2SnO。納米結(jié)構(gòu)的制備及其氣敏性能研究采用水熱制備Zn2SnO。納米結(jié)構(gòu)并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。研究表明，

7、通過改變水熱液的pH值，可以對(duì)其形貌及晶體生長(zhǎng)取向進(jìn)行調(diào)控。在材料制備過程中，當(dāng)反應(yīng)溶液的pH值由9到11再到13時(shí)，Zn2Sn04的形貌由單一的納摘要米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米顆粒．納米棒并存，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米棒；Zn2SnO。生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向從(311)轉(zhuǎn)變?yōu)?331)，材料的比表面積也隨之增大。結(jié)果表明，pH為13時(shí)制備的樣品對(duì)乙醇?xì)怏w具有最好的敏感性能。在300oC的工作溫度下，該敏感元件對(duì)100ppm乙醇的響應(yīng)值達(dá)到30．7，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為10和9s。同時(shí)，該元件被放置15周，響應(yīng)值隨時(shí)間幾乎沒有變化，表現(xiàn)出很好的測(cè)量穩(wěn)定性。4、ZnO／Si．NPA的制備與濕敏性能研究以

8、硅納米孔柱陣列(Si-NPA)為襯底，采用溶膠．凝膠法結(jié)合旋涂技術(shù)制備了ZnO／Si．NPA，并對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了表征。研究表明，旋涂于Si．NPA襯底上的ZnO納米晶粒大致呈球狀，平均粒徑為～5．87nm；ZnO)jSi．NPA保持了良好的柱狀陣列結(jié)構(gòu)。通過制作電容型原型器件，對(duì)其濕敏性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)濕敏元件暴露于33％、54％、75％、95％相對(duì)濕度環(huán)境中時(shí)，其靈敏度分別達(dá)到～124．5％、536．2％、2035．4％和5522％，元件的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為65S和48S。放置15周后，該元件