ZnO基傳感器的氣敏和濕敏特性研究.pdf

1、自從1962年發現ZnO材料的電導率會隨環境氣氛發生變化以來，有關ZnO基氣、濕敏傳感器的研究就一直受到人們的關注。近年來，隨著納米科技與相關制備工藝的快速發展，ZnO基敏感材料的制備技術已臻成熟，如何提高傳感器的敏感性能成為研究的重點。本文從納米ZnO的結構與形貌控制、摻雜、復合和修飾出發，制備了幾種ZnO基材料體系，并通過制作傳感器原型器件，對其相應的濕度或氣體敏感性能研究，分析了相關的敏感機理。論文取得了以下主要研究結果:

2、　　1、多孔片層ZnO球的制備及其氣敏性能研究
　　采用水熱法制備了多孔片層ZnO球并對其形貌和結構進行了表征。通過制作電阻型原型器件，研究了其對乙醇氣體的敏感性能。結果表明，該氣敏元件的最佳工作溫度為280℃。在此溫度下，元件對2ppm乙醇的靈敏度達到2.8，響應和恢復時間分別為10和15s，且在2-500ppm乙醇氣體濃度范圍內的響應曲線具有很好的線性度。與目前商業ZnO粉末氣敏元件相比，基于多孔片層ZnO球的氣體傳感器優勢在

3、于其具有更低的工作溫度和更高的靈敏度。
　　2、Zn摻雜SnO2多孔空心球的制備及其氣敏性能研究
　　以碳球為模板，采用直接沉淀法制備Zn摻雜SnO2多孔空心球，并對其形貌和結構進行了表征。通過制作電阻型原型器件，研究了其對乙醇氣體的敏感性能。結果表明，在240℃的工作溫度下，該氣敏元件對乙醇的響應值最大。對于2ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm和500ppm的乙醇氣體，其響應

4、值分別為:2.8、4.6、4.9、16、27.4、48.8、71.9和100，其響應和恢復時間分別為29和16s。與具有相同結構特征的純ZnO或SnO2多孔空心球相比，Zn摻雜SnO2多孔空心球氣敏元件在靈敏度與穩定性表現出較大的優勢。
　　3、Zn2SnO4納米結構的制備及其氣敏性能研究
　　采用水熱制備Zn2SnO4納米結構并對其形貌和結構進行了表征。研究表明，通過改變水熱液的pH值，可以對其形貌及晶體生長取向進行調控。

5、在材料制備過程中，當反應溶液的pH值由9到11再到13時，Zn2SnO4的形貌由單一的納米顆粒轉變為納米顆粒-納米棒并存，最終轉變為納米棒;Zn2SnO4生長的擇優取向從(311)轉變為(331)，材料的比表面積也隨之增大。結果表明，pH為13時制備的樣品對乙醇氣體具有最好的敏感性能。在300℃的工作溫度下，該敏感元件對100ppm乙醇的響應值達到30.7，響應和恢復時間分別為10和9s。同時，該元件被放置15周，響應值隨時間幾乎沒有變

6、化，表現出很好的測量穩定性。
　　4、ZnO/Si-NPA的制備與濕敏性能研究
　　以硅納米孔柱陣列(Si-NPA)為襯底，采用溶膠-凝膠法結合旋涂技術制備了ZnO/Si-NPA，并對其形貌和結構特征進行了表征。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/Si-NPA保持了良好的柱狀陣列結構。通過制作電容型原型器件，對其濕敏性能進行了研究。結果表明，當濕敏元件暴露于33％、

7、54％、75％、95％相對濕度環境中時，其靈敏度分別達到～124.5％、536.2％、2035.4％和5522％，元件的響應和恢復時間分別為65s和48s。放置15周后，該元件的電容值變化相對較大，穩定性有待進一步提高。
　　5、PVP修飾ZnO/Si-NPA的制備與濕敏性能研究
　　采用溶膠-凝膠法制備了PVP修飾的ZnO納米顆粒。光吸收譜測試表明，隨著PVP添加量的增大，ZnO的吸收邊先發生藍移。當Zn2+/PVP摩爾比

8、達到5∶3時，藍移最大;此時PVP修飾ZnO納米顆粒呈球形，分散性好且粒徑分布均勻，平均粒徑為3.52nm。繼續增大PVP的添加量，其吸收邊將發生紅移。對不同劑量PVP修飾ZnO納米顆粒/Si-NPA的濕敏特性進行研究發現，隨著PVP的添加量的增大，PVP修飾ZnO/Si-NPA的靈敏度逐漸增加，但與此同時濕滯也逐漸增大。當Zn2+/PVP摩爾比為5∶3時，元件的濕敏性能最佳。此時，當PVP修飾ZnO/Si-NPA濕敏元件暴露于33％、