水熱法制備微-納米結(jié)構(gòu)WO3及其氣敏與光電性能的研究.pdf

1、金屬氧化物半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于氣體的探測，如室內(nèi)常見的有機揮發(fā)性氣體及大氣中的各種有害氣體。但是金屬氧化物對氣體的敏感性、選擇性和穩(wěn)定性一直存在問題，需要更深入地研究。對于有害氣體，除了需要能夠檢測到，更重要的是能夠?qū)⑵浯呋到鉃闊o害的氣體。WO3不僅是一種很好的氣敏材料，而且由于其禁帶寬度較窄，有利于長波長光的吸收和利用,因此也是一種常用的催化降解材料。本文采用WO3做為研究體系，從提高氣體靈敏度、降低檢測極限和工作溫度的角度出發(fā)，

2、著重研究了特殊微納米材料的形態(tài)控制制備及其對氣敏性能的影響；并研究了金屬離子摻雜WO3的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的變化，及對光電性能和光激發(fā)下氣敏性能的影響。全文內(nèi)容如下：
　　 首先，介紹了WO3半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和重要性質(zhì)，并簡要闡述了微納米WO3材料的制備方法，介紹了其氣敏特性和光電性能的應(yīng)用研究概況，從而提出本文研究WO3光電性能的目的與意義。
　　 第二，介紹了水熱/溶劑熱法制備WO3微/納米結(jié)構(gòu)材料的實驗原

3、料、設(shè)備、材料的制備過程及分析表征方法。并介紹了氣體敏感的機理，氣敏元件的制備和主要性能指標(biāo)，以及氣體敏感性能測試設(shè)備和方法。
　　 第三，以水為介質(zhì)及表面活性劑為模板劑，通過改變表面活性劑類型、合成時間和合成溫度，分別制備了納米顆粒、納米塊和納米片幾種形貌的WO3。結(jié)果顯示，單獨采用F127或單獨采用CTAB表面活性劑分別制備得到的納米塊和納米顆粒，而采用F127和CTAB復(fù)合表面活性劑制備得到大的薄片狀WO3。對納米片和納米

4、塊進行氣敏性能測試，發(fā)現(xiàn)納米塊對NH3、苯、丙酮、甲醇、甲醛的敏感性最好，其次是含10％CTAB的復(fù)合表面活性劑制備的片狀樣品，最低的是含20％ CTAB的復(fù)合表面活性劑制備的大片狀樣品，這里比表面積的大小是決定氣敏性能的關(guān)鍵因素。而大片狀的優(yōu)勢是具有最低的電阻，利于氣敏測試。
　　 第四、采用乙醇/水為溶劑制備得到三維WO3納米墻微球，研究乙醇比例對形貌的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入水之后只能得到了大小不同的片狀產(chǎn)物，乙醇對形成納米墻

5、微球結(jié)構(gòu)具有至關(guān)重要的作用。氣敏性能研究發(fā)現(xiàn)，納米墻微球?qū)Ρ?、丙酮、甲醇、甲醛的敏感性好于納米片。而且，納米墻微球的恢復(fù)速率要快于納米片狀。在紫外光照射下，用3D-WO3與商用WO3分別對NO2進行測試，發(fā)現(xiàn)，3D-WO3對NO2的敏感性好于商用WO3，且在紫外光照射下響應(yīng)速率更快。
　　 第五、選用乙二醇/乙醇溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，制備出WO3納米線網(wǎng)絡(luò)微球和納米針簇微球。采用純乙二醇為溶劑，產(chǎn)物為納米線網(wǎng)絡(luò)微球；當(dāng)添加乙醇溶劑時，

6、產(chǎn)物逐漸演變?yōu)榧{米針簇微球，且產(chǎn)物形貌受合成時間、合成溫度、鎢源用量、F127用量的影響均很大。XRD分析表明，納米線微球在燒結(jié)前是六方WO3(H2O)0.333，而納米針簇微球燒結(jié)前則屬于四方晶系H0.23WO3；550 oC燒結(jié)后納米線微球和納米針微球均為單斜WO3。氣敏測試發(fā)現(xiàn)納米針簇微球，對于NH3、苯的氣敏性能依次高于納米墻微球和納米線微球的產(chǎn)物，但是對于NO2氣體，納米墻微球的敏感性明顯高于納米線微球和納米針簇微球。

7、　　 第六，介紹了Nb5+、Sn4+、In3+、Zn2+四種不同價態(tài)金屬離子對WO3的摻雜改性。試驗結(jié)果顯示，四種離子均摻雜入WO3晶格中，且引起WO3形貌、晶體結(jié)構(gòu)甚至能帶結(jié)構(gòu)的改變。FESEM表征發(fā)現(xiàn)，摻雜之后產(chǎn)物由納米墻形態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸變成均勻的納米顆粒。XRD分析發(fā)現(xiàn)，低濃度離子的引入使WO3由γ-WO3經(jīng)由穩(wěn)定的四方相向α-WO3轉(zhuǎn)變。WO3的帶隙寬度也因離子的引入而發(fā)生改變，進而影響到材料的紫外吸收和發(fā)光性能。對摻雜Nb5+和