ZnO-Cd納米棒陣列光學(xué)氫敏性能研究.pdf

1、氫氣是目前公認(rèn)的具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕G色能源，但氫氣的提取，運(yùn)輸和儲(chǔ)存也存在巨大的安全隱患，因此對(duì)氫氣泄露的監(jiān)測(cè)是氫能研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)主要課題，而其中最重要的就是室溫氫氣氣敏傳感器的研發(fā)。在氫敏材料研究領(lǐng)域，已有研究發(fā)現(xiàn)貴金屬（Pd、Pt）摻雜ZnO能增強(qiáng)傳感器的性能，一維ZnO納米材料也有良好的氫敏性能，但它們大都為電阻型氣敏傳感器，且其工作溫度都在150℃以上。我們實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)一維ZnO:Cd納米材料不僅穩(wěn)定性好，且工作溫度可

2、降低到80℃。本研究旨在前期研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)材料及器件結(jié)構(gòu)，探索室溫下非加電光學(xué)氫敏傳感器的實(shí)現(xiàn)。
　　本文采用兩步法制備ZnO納米棒陣列，其中磁控濺射法用于制備厚度約為50nm的ZnO種子層，低溫水熱法用于制備ZnO:Cd納米棒陣列，通過(guò)控制Cd在ZnO中的摻雜含量和材料的生長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整納米棒的直徑和長(zhǎng)度。Cd的摻雜濃度分別為0％，2%，4%，6%，生長(zhǎng)時(shí)間調(diào)控分別為0.5h，1h，2h，3h。采用XRD，SEM，分光光度計(jì)分別對(duì)

3、其晶體結(jié)構(gòu)，表面形貌，光學(xué)性能進(jìn)行了分析研究，并將ZnO:Cd納米棒陣列制備成光學(xué)氣敏傳感器(18mm×18mm×4mm)，對(duì)其光學(xué)氫敏性能進(jìn)行了測(cè)試分析。
　　XRD及SEM分析表明生長(zhǎng)為2小時(shí)的不同摻雜濃度的ZnO:Cd納米材料為定向生長(zhǎng)的納米棒陣列，所有薄膜都由縱向生長(zhǎng)的納米棒組成,其中2%Cd摻雜ZnO:Cd（記做ZnO:Cd-2）納米棒陣列的納米棒尺寸最小，比表面積最大，納米棒陣列棒間分布間隙最大。在通過(guò)改變ZnO:Cd

4、-2的生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)調(diào)控納米棒的研究中發(fā)現(xiàn)，納米棒隨生長(zhǎng)時(shí)間的增加基本呈線性增長(zhǎng)，但納米棒直徑隨生長(zhǎng)時(shí)間變化較小。研究表明，通過(guò)控制Cd的摻雜濃度，可以抑制 ZnO納米棒的水平生長(zhǎng)。透過(guò)率測(cè)試表明所有樣品在450nm到800nm之間的透過(guò)率都達(dá)到60%以上，其中Cd摻雜濃度為2%的ZnO透過(guò)率最大。
　　對(duì)基于ZnO:Cd納米棒陣列制備的氫敏傳感器測(cè)試研究中，不同Cd摻雜濃度器件對(duì)500ppm氫氣的光學(xué)氣敏靈敏度測(cè)試結(jié)果表明，基于Zn

5、O:Cd-2納米棒陣列的傳感器光學(xué)靈敏度最大；在工作波長(zhǎng)為480nm下通入500ppm H2，測(cè)試了ZnO:Cd-2基傳感器的響應(yīng)恢復(fù)曲線，經(jīng)計(jì)算其靈敏度，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為60%，17s和15s，表明其有良好的光學(xué)氫敏性能。進(jìn)一步降低測(cè)試氣體濃度，得到該傳感器能有效檢測(cè)氫氣的最低濃度為100ppm，其靈敏度為20%，響應(yīng)時(shí)間為16s。最后我們對(duì)其光學(xué)氣敏機(jī)理進(jìn)行了分析探討。本研究中所有氫敏性能測(cè)試均在室溫下進(jìn)行，與前人的研究相比