基于碳納米管的氣體傳感器制備及其特性研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的發(fā)展,為設(shè)計(jì)低能源消耗、高靈敏度、低成本、便攜式傳感器創(chuàng)造了巨大的潛力。作為新興的納米材料,碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性能、高比表面積和獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)使其成為氣體分子吸附的理想材料。常用的半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏材料通常需要在較高的溫度下才正常工作,表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性;但是較高的工作溫度會(huì)給氣敏元件帶來(lái)如能耗損耗較大、使用壽命降低等諸多問題,甚至可能會(huì)使氣敏元件成為爆炸源,成為安全隱患。
　　本論文圍繞制備基于碳納米管的氣體傳感器

2、為核心出發(fā),在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)致發(fā)射的碳納米管陣列制備工藝上,對(duì)碳納米管陣列制備工藝進(jìn)行研究分析,制備適合氣敏傳感的碳納米管陣列薄膜,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改性,并進(jìn)行相關(guān)氣敏特性測(cè)試;同時(shí)將純化的無(wú)序碳納米管與半導(dǎo)體氧化物制備復(fù)合氣敏材料,研究碳納米管摻入量對(duì)半導(dǎo)體氧化物氣敏特性的影響以及其復(fù)合氣敏材料的氣敏特性。其主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1)采用MPECVD法制備的碳納米管,2.5nm厚Al層作為分散劑,1.2nm厚的Fe層作為催化劑,得

3、到了定向性好、排列整齊、長(zhǎng)度一致垂直碳納米管束陣列;碳納米管陣列長(zhǎng)度隨著生長(zhǎng)時(shí)間增加而增加,碳納米管陣列表現(xiàn)出P型半導(dǎo)體性質(zhì);生長(zhǎng)時(shí)間為60s的碳納米管表現(xiàn)出最優(yōu)的靈敏度,但是直接生長(zhǎng)的碳納米管表現(xiàn)出較低的靈敏度。
　　2)生長(zhǎng)時(shí)間為60s的碳納米管陣列通過400°C退火處理,可以除去碳納米管生長(zhǎng)的如無(wú)定形碳等副產(chǎn)物或引進(jìn)功能團(tuán),從而顯著提高其靈敏度,對(duì)NH3和NO2表現(xiàn)出最好的靈敏度,對(duì)CH4等幾乎沒有響應(yīng);對(duì)比分析叉指型、連續(xù)

4、薄膜型兩種碳納米管傳感器中,叉指型碳納米管傳感器具有有優(yōu)異的叉指尺寸,使得其表現(xiàn)出最優(yōu)氣敏特性;但是碳納米管本身具有較高電導(dǎo)率,器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不能顯著提高其靈敏度。
　　3)采用混酸(濃硫酸和濃硝酸比例為3:1)處理的含有雜質(zhì)碳納米管處理,得到純化的碳納米管并對(duì)其引入增強(qiáng)其氣敏特性的官能團(tuán)。采用溶膠凝膠法制備氧化鎢,并與純化后的碳納米管制備出CNT/WO3復(fù)合氣敏材料。由于碳納米管具有良好的導(dǎo)電特性,氣敏元件的電阻值隨著碳納米管的

5、摻入量增加而急劇減少;當(dāng)碳納米管摻入量為1％時(shí),氧化鎢對(duì)50ppm的NO2表現(xiàn)出最佳的靈敏度為7.4％;同時(shí)在選擇性測(cè)試中,CNT/WO3復(fù)合材料對(duì)NH3和NO2具有較高的靈敏度。
　　4)采用溶膠凝膠法制備的氧化鋅為典型的N型半導(dǎo)體,其電阻隨著碳納米管的摻入量增加而顯著減少,導(dǎo)致其半導(dǎo)體特性發(fā)生改變;碳納米管摻入量為2％的氧化鋅對(duì)50ppm的乙醇表現(xiàn)出最佳的靈敏度為9.8％;通過選擇特性測(cè)試發(fā)現(xiàn), CNT/ZnO復(fù)合材料對(duì)乙醇具