掺杂对ZnO纳米线气敏性能影响的研究

【摘要】采用物理热蒸发法制备出单元素掺杂(Ga,In,Sn)ZnO纳米线、双元素(In、Sn)共掺杂ZnO纳米线和Ga、In、Sn三掺杂ZnO纳米线,利用SEM,HRTEM,PL,XPS等对掺杂ZnO的形貌、微观缺陷和掺杂元素的微观状态进行了系统表征,CGS-1TP智能气敏分析系统对其进行乙醇气体、CO、NO2以及SO2气体气敏性能测试,利用第一性原理计算分析了掺杂元素对ZnO纳米材料的带隙结构和电子结构的影响,建立了气敏机理模型,从理论上分析了单一元素掺杂ZnO对CO的气敏机理。获得以下研究结果：1)不同Ga元素浓度掺杂的ZnO的微观形貌发生明显变化。掺杂Ga元素以Ga3+的化学状态存在于ZnO中,Ga的掺杂导致ZnO带隙变小,态密度发生改变。In掺杂对ZnO的晶格结构引入了2种面缺陷,In以In3+的化学状态存在于ZnO中,元素In掺杂的ZnO晶体的导带底部和价带顶部局域部分,晶体的带数量明显增多、变密。Sn元素则是以Sn4+价态存在于ZnO晶体中。2)4molGa掺杂ZnO对CO具有较高的气体灵敏度(4.59),但最佳工作温度偏高为270℃。Ga-In-Sn共掺杂相比单元素掺杂对CO具有更高的气体灵敏度(6.02)。但是,对于NO2气体,三元素共掺杂的气敏性能远远没有单元素Sn掺杂的ZnO的性能高,5mo1%Sn掺杂的ZnO对NO2的最大灵敏度为204.8。对于S02气体,同样是单元素Sn掺杂的ZnO气敏性能优于其他单元素或三元素共掺杂。对于乙醇蒸气,Sn掺杂ZnO对乙醇气体的灵敏度最大,In掺杂ZnO对乙醇气体的响应-恢复时间最短。3)第一性原理计算结果表明Ga掺杂改性ZnO对CO的气敏机理主要是Ga掺杂后ZnO的(001)面吸附能相对增大,键长发生变化。Ga掺杂的ZnO表面吸附CO前后的电子态密度发生了显著的变化,费米能级进入导带。由于吸附CO具有很强的给电子能力,在导带底部由于CO给出的电子而形成的表面态能级增强,而且Ga掺杂在半导体表面产生更多的电子,使其电阻率下降,可吸附更多的气体分子,显示更优异的CO气敏特性。
【作者】雷曼；
【导师】陈建；范新会；
【作者基本信息】西安工业大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】ZnO纳米线；掺杂；气敏性能；结构计算；

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