傳感器表面納米敏感材料微結構的調控及其氣敏性能研究.pdf

1、隨著生活水平的提高,人們對自身健康和周圍生存環(huán)境的要求日益提高,尤其是對空氣中污染氣體濃度的實時檢測也更為迫切。因此,能實現(xiàn)這一愿望的金屬氧化物氣敏傳感器就受到了人們的強烈關注和重點研究。目前,研究者們關注較多的是氣敏材料的可控合成,而對氣敏材料制成傳感器的過程中所遇到的科學和技術問題卻研究的很少,所占比例不足5％。于是本文著重針對金屬氧化物納米結構在制備氣敏傳感器過程中的聚集、破壞以及活性下降等問題,發(fā)展材料-器件一體化制備的新技術,

2、通過在傳感器表面原位調控納米敏感材料的微結構包括形態(tài)和缺陷來提高傳感器的氣敏性能。
　　首先采用浸漬提拉法在管狀傳感器表面合成了直徑為8nm的ZnO納米棒,這些納米棒平躺著,主要暴露面為{10-10}晶面。接著在這些納米棒組成的薄膜上采用溶液處理法成功得到了直徑為100nm的納米棒陣列,暴露面主要為(0001)晶面,更重要的是氣敏性能獲得了明顯的提高:3倍的敏感度,少于10s的快速響應和低到1ppm的檢測限。實驗結果也揭示了暴露晶

3、面的影響要大于尺寸效應,ZnO(0001)晶面的氣敏性能優(yōu)于{10-10}晶面,同時暴露晶面上的原子結構對提高ZnO納米棒陣列傳感器的吸附氧含量及其氣敏性能具有重要的影響。
　　上述工藝比較復雜耗時,為此采用可以大批量制備的四針狀ZnO粉末作為氣敏材料,通過改變熱處理溫度來調控四針狀ZnO的形態(tài)和缺陷。隨著熱處理溫度的增加,四針狀ZnO的針逐漸變短變粗,最后演變成四面體形態(tài),顆粒之間的接觸狀況也發(fā)生了變化,并建立了熱處理溫度與Zn

4、O顆粒形態(tài)的對應關系,同時發(fā)現(xiàn)間隙鋅的數(shù)量減小而氧空位增多。在燒結溫度為450℃下的ZnO傳感器表現(xiàn)出了對甲醛氣體最高的響應值。這主要是因為該傳感器具有最好的顆粒接觸,較多的間隙鋅缺陷和較大的比表面積。
　　不過人工涂覆制造傳感器這一工藝比較低效。為此采用絲網(wǎng)印刷技術在平板傳感器上印刷四針狀ZnO厚膜,再結合鑭離子溶液滴注法和后續(xù)熱處理,來調控四針狀ZnO顆粒的表面缺陷。隨著鑭離子濃度的增加,缺陷LaZn所占比例增大,而氧空位所占