金屬氧化物半導體納米材料氣敏傳感性能及其自驅(qū)動系統(tǒng)的研究.pdf

1、金屬氧化物半導體納米材料因其制備方法簡單、成本低、對多種氣體有響應等特性而被廣泛應用于氣敏傳感領域。近年來，針對金屬氧化物半導體氣敏材料的研究一直是作為提升氣敏傳感性能的主要突破點而備受重視，主要研究方向包括材料類型、形貌結(jié)構(gòu)、暴露晶面、表面改性和器件結(jié)構(gòu)等。但在制備氣敏傳感器原型器件時，普遍采用涂覆成膜工藝，該過程步驟繁瑣、成品率低，且易造成材料團聚，從而喪失納米材料優(yōu)勢?？紤]到基于納米陣列材料的器件具有通透的立體開放式結(jié)構(gòu)，使得目標

2、氣體更容易擴散到材料內(nèi)部，若能制備一種直接在襯底上生長的納米陣列作為氣敏材料，上述問題則迎刃而解。本文以金屬氧化物半導體氣敏傳感器為研究對象，立足于用水熱法制備新型金屬氧化物半導體納米陣列氣敏材料，通過對前驅(qū)體產(chǎn)物表征分析解析其生長機理，并通過構(gòu)筑氣敏傳感器原型器件，對材料的氣敏性能進行測試，最后結(jié)合目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大趨勢，提出基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動氣敏傳感系統(tǒng)的概念。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴用一種氟離子輔助水熱法及后續(xù)熱處

3、理，制備了一種菱形ZnO納米棒陣列材料；分析發(fā)現(xiàn)F-離子在水熱反應過程中對納米形貌結(jié)構(gòu)起決定性作用；直接在襯底生長制備氣敏材料簡化了傳統(tǒng)氣敏傳感器涂覆成膜的制備工藝；測試發(fā)現(xiàn)在450oC熱處理條件下的菱形ZnO納米陣列材料具有最佳的乙醇傳感性能，工作溫度在300oC時其探測乙醇的響應值可達~11.8，響應-回復時間分別為4 s和7 s，并表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性、重復性和穩(wěn)定性；該菱形ZnO納米陣列氣敏傳感材料表現(xiàn)出典型的n型半導體表面控制型

4、氣敏傳感特性，其特殊的納米陣列結(jié)構(gòu)、多孔表面、多晶性質(zhì)和表面大量的點缺陷，是其具有優(yōu)異的氣敏傳感性能的主要原因。⑵通過氟離子輔助水熱法又制備了一種菱形Co3O4納米棒陣列，發(fā)現(xiàn)除了F-離子影響外，水熱反應的溫度對納米結(jié)構(gòu)也有決定性的作用，驗證了Co2+在水熱反應中與不同陰離子的結(jié)合能力差異；因無需預制籽晶層，該法進一步簡化氣敏傳感器制備工藝；測試發(fā)現(xiàn)在450oC熱處理的傳感器件有最好的乙醇氣敏性能，探測100 ppm乙醇其敏感值可達~3

5、1.4，最優(yōu)工作溫度低至160oC，響應-回復時間分別為61 s和54 s，同時具有突出的選擇性及穩(wěn)定性；該菱形Co3O4納米棒陣列氣敏傳感材料表現(xiàn)出典型的p型半導體材料表面控制型氣敏傳感特性，除具有n型菱形ZnO納米棒陣列材料的各種優(yōu)勢，其特殊的暴露晶面富含大量懸掛鍵，更有利于氣敏反應。⑶利用Co2+在水熱反應中與不同陰離子結(jié)合力的差異，用尿素代替六亞甲基四胺，合成了一種針狀Co3O4納米線陣列材料；反應過程中CO32-與Co2+具有

6、最強的結(jié)合力，取代OH-和F-對形貌起決定性作用；350oC條件下熱處理得到的傳感器探測100 ppm乙醇敏感值可達~89.6，其最佳工作溫度只有130oC，雖具有優(yōu)異的選擇性和穩(wěn)定性，但其響應-回復時間較長，分別為449 s和646 s；兩種p型Co3O4納米陣列材料氣敏傳感性能的差異可能歸因于不同暴露晶面上的Co2+和Co3+的含量不同及其與氧負離子的結(jié)合能不同。⑷制備了一種基于吹氣驅(qū)動轉(zhuǎn)盤式摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動氣敏傳感系統(tǒng)；基于