ZnO基传感器的气敏和湿敏特性研究

【摘要】自从1962年发现ZnO材料的电导率会随环境气氛发生变化以来，有关ZnO基气、湿敏传感器的研究就一直受到人们的关注。近年来，随着纳米科技与相关制备工艺的快速发展，ZnO基敏感材料的制备技术已臻成熟，如何提高传感器的敏感性能成为研究的重点。本文从纳米ZnO的结构与形貌控制、掺杂、复合和修饰出发，制备了几种ZnO基材料体系，并通过制作传感器原型器件，对其相应的湿度或气体敏感性能研究，分析了相关的敏感机理。论文取得了以下主要研究结果：1、多孔片层ZnO球的制备及其气敏性能研究采用水热法制备了多孔片层ZnO球并对其形貌和结构进行了表征。通过制作电阻型原型器件，研究了其对乙醇气体的敏感性能。结果表明，该气敏元件的最佳工作温度为280oC。在此温度下，元件对2ppm乙醇的灵敏度达到2.8，响应和恢复时间分别为10和15s，且在2-500ppm乙醇气体浓度范围内的响应曲线具有很好的线性度。与目前商业ZnO粉末气敏元件相比，基于多孔片层ZnO球的气体传感器优势在于其具有更低的工作温度和更高的灵敏度。2、Zn掺杂SnO2多孔空心球的制备及其气敏性能研究以碳球为模板，采用直接沉淀法制备Zn掺杂SnO2多孔空心球，并对其形貌和结构进行了表征。通过制作电阻型原型器件，研究了其对乙醇气体的敏感性能。结果表明，在240oC的工作温度下，该气敏元件对乙醇的响应值最大。对于2ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm和500ppm的乙醇气体，其响应值分别为：2.8、4.6、4.9、16、27.4、48.8、71.9和100，其响应和恢复时间分别为29和16s。与具有相同结构特征的纯ZnO或SnO2多孔空心球相比，Zn掺杂SnO2多孔空心球气敏元件在灵敏度与稳定性表现出较大的优势。3、Zn2SnO4纳米结构的制备及其气敏性能研究采用水热制备Zn2SnO4纳米结构并对其形貌和结构进行了表征。研究表明，通过改变水热液的pH值，可以对其形貌及晶体生长取向进行调控。在材料制备过程中，当反应溶液的pH值由9到11再到13时，Zn2SnO4的形貌由单一的纳米颗粒转变为纳米颗粒-纳米棒并存，最终转变为纳米棒；Zn2SnO4生长的择优取向从（311）转变为（331），材料的比表面积也随之增大。结果表明，pH为13时制备的样品对乙醇气体具有最好的敏感性能。在300oC的工作温度下，该敏感元件对100ppm乙醇的响应值达到30.7，响应和恢复时间分别为10和9s。同时，该元件被放置15周，响应值随时间几乎没有变化，表现出很好的测量稳定性。4、ZnO/Si-NPA的制备与湿敏性能研究以硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）为衬底，采用溶胶-凝胶法结合旋涂技术制备了ZnO/Si-NPA，并对其形貌和结构特征进行了表征。研究表明，旋涂于Si-NPA衬底上的ZnO纳米晶粒大致呈球状，平均粒径为~5.87nm；ZnO/Si-NPA保持了良好的柱状阵列结构。通过制作电容型原型器件，对其湿敏性能进行了研究。结果表明，当湿敏元件暴露于33%、54%、75%、95%相对湿度环境中时，其灵敏度分别达到~124.5%、536.2%、2035.4%和5522%，元件的响应和恢复时间分别为65s和48s。放置15周后，该元件的电容值变化相对较大，稳定性有待进一步提高。5、PVP修饰ZnO/Si-NPA的制备与湿敏性能研究采用溶胶-凝胶法制备了PVP修饰的ZnO纳米颗粒。光吸收谱测试表明，随着PVP添加量的增大，ZnO的吸收边先发生蓝移。当Zn2+/PVP摩尔比达到5:3时，蓝移最大；此时PVP修饰ZnO纳米颗粒呈球形，分散性好且粒径分布均匀，平均粒径为3.52nm。继续增大PVP的添加量，其吸收边将发生红移。对不同剂量PVP修饰ZnO纳米颗粒/Si-NPA的湿敏特性进行研究发现，随着PVP的添加量的增大，PVP修饰ZnO/Si-NPA的灵敏度逐渐增加，但与此同时湿滞也逐渐增大。当Zn2+/PVP摩尔比为5：3时，元件的湿敏性能最佳。此时，当PVP修饰ZnO/Si-NPA湿敏元件暴露于33%、54%、75%、95%的相对湿度环境中时，器件的灵敏度分别达到~80.9%、571%、10334%和1127198%。该元件的响应和恢复时间分别为16s和8s。放置15周后，该元件的电容值随时间变化很小，具有很好的稳定性。
【作者】王文闯；
【导师】李新建；
【作者基本信息】郑州大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】氧化锌（ZnO）；气体传感器；湿度传感器；水热法；溶胶-凝胶法（sol-gel）；硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）；聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；

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