ZnO纳米结构气敏传感器

论文摘要

本文采用气相法和水热法生长了一维ZnO纳米材料,采用多种手段（SEM、XRD、TEM、Raman等）对它们的结构进行了表征,表明CVD法生长ZnO纳米线符合VLS机制,纳米线直径在100-200 nm之间,长度为十几微米；CVD法生长四针状ZnO纳米材料属于VS机制,所得纳米材料呈正四面体型,每条晶须长度为3-5μm,从根部到尖端,直径由200 nm逐渐变为50 nm；水热法合成的ZnO纳米棒阵列,纳米棒排列紧密,垂直于基片生长,单根纳米棒的直径50 nm左右,长度约为5μm。这三种ZnO纳米结构都为六角纤锌矿结构,纯度极高且高度结晶。气相法和水热法生长的纳米线都具有择优取向,沿[0001]向择优生长。组装了单根ZnO纳米线场效应管（FET）,测量了它的输出特性曲线和转移特性曲线,并估算了它的各项参数。该场效应管为n型,载流子浓度和迁移率分别为1.15×108cm-1,20.5 cm2/（VS）；阈值电压约为-16.7V；Vds=+1.5 V、+2 V和+2.5 V时的低频跨导gm分别为34.0 nS、46.6 nS和59.9 nS；此外,在Vgs<0时,该场效应管会出现饱和现象。制备了基于ZnO纳米线场效应管的气敏传感器。测试了它在室温下对O2的灵敏度。发现它灵敏度高（室温下对1000PPmO2灵敏度1.5,体材料和薄膜材料无响应）、响应迅速（室温下,500PPmO2,响应时间：10 s,恢复时间：50 s）；当O2浓度在1000 ppm以内时,灵敏度与O2浓度基本成线性；单根ZnO纳米线具有自加热效应,这对纳米线的气敏性能有影响,当O2浓度为100 ppm,工作电流较小时（I<2μA）,灵敏度随工作电流增大而增大,工作电流继续增大（I>2μA）,灵敏度达到饱和。将四针状ZnO纳米晶须与TiO2粉末共同退火生成了Ti掺杂四针状ZnO纳米结构。掺杂后,样品仍为正四面体型样品,形貌未发生明显变化。将样品压片,组装成三明治结构的气敏器件,测试了其对乙醇的气敏性能。表明掺杂后,样品的气敏性能得到明显提高：最佳工作温度稍有降低（250℃降至240℃）；样品电阻变小；灵敏度比掺杂前高出一个数量级；响应和恢复时间变短。这是由于Ti4+扩散入ZnO晶格中部分取代Zn2+后,产生更多的自由电子,增加了氧吸附位,使得物理吸附的氧分子更容易得到电子生成氧负离子造成的。采用水热法在Au/Ni叉指电极上原位生长了ZnO纳米棒阵列。分别测试了该纳米阵列的湿敏性能（不同相对湿度下的电阻响应和电容响应）。当相对湿度从11%变至95%时,电阻和电容变化都在三个数量级以上。相比之下,电阻响应具有更高的灵敏度,更小的响应和恢复时间,电容响应则具有更加良好的线性。采用溶胶凝胶法在ZnO纳米棒阵列表面涂覆了TiO2层,得到了ZnO/TiO2核壳结构纳米材料并分析了其结构,表明TiO2是涂覆在纳米棒表面,涂覆后表面变粗糙,平均直径增加了约20nm。测试了ZnO/TiO2核壳层结构纳米材料室温下对不同相对湿度的电容响应。较之纯ZnO纳米棒器件,灵敏度得到了显著提高（相对湿度11%变至95%时,灵敏度达五个数量级）,响应和恢复时间缩短,重复性和迟滞特性良好。采用交流阻抗谱法分析了纯ZnO和ZnO/TiO2的湿敏机制。在不同相对湿度下,工作机制不同：低湿度时,材料靠电荷跳跃迁导电；高湿度时,靠质子在水膜中的扩散导电。TiO2层修饰后,该临界点由75%RH降至33%RH,而且ZnO/TiO2样品的交流阻抗谱在相对湿度为大于33%RH时只剩下一条斜率为1的直线而ZnO样品中在相对湿度为95%时也没有出现这种情况,说明TiO2修饰后,样品的吸水性大大提高。这主要是由于ZnO的大的比表面体和表面TiO2层的超亲水性造成的,同时水分子更容易在ZnO和TiO2界面及TiO2层的晶界中发生毛细凝结现象,这使ZnO/TiO2对水分子的吸附增大,提高灵敏度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 气敏传感器
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 气敏传感器的主要分类
• 1.1.3 气敏传感器的发展方向
• 1.2 纳米气敏传感器
• 1.2.1 纳米材料
• 1.2.2 纳米传感器简介
• 1.2.3 纳米传感器的分类
• 1.2.4 纳米湿度传感器
• 1.3 ZnO简介
• 1.3.1 晶体结构
• 1.3.2 电学性质
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 一维ZnO纳米结构的制备与表征
• 2.1 气相法合成ZnO纳米结构
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 实验装置与工艺流程
• 2.1.3 ZnO纳米结构的表征
• 2.2 溶液法生长ZnO纳米结构
• 2.2.1 实验原材料
• 2.2.2 实验装置与工艺流程
• 2.2.3 溶液法生长的ZnO纳米线的表征
• 2.3 小结
• 第三章 单根ZnO纳米器件
• 3.1 纳米场效应管
• 3.1.1 场效应管基本原理
• 3.1.2 纳米场效应管的研究
• 3.2 ZnO纳米线场效应管的组装
• 3.3 ZnO纳米场效应管的电学性能
• 3.3.1 测试装置
• 3.3.2 Ⅰ-Ⅴ曲线
• 3.3.3 ZnO纳米线场效应管参数估算
• 3.4 ZnO纳米线场效应管气敏传感器
• 3.4.1 器件结构
• 3.4.2 气敏性能
• 3.4.3 机理解释
• 3.5 小结
• 第四章 Ti掺杂四针状ZnO纳米晶须的气敏性质
• 4.1 引言
• 4.2 器件制备
• 4.3 材料性质
• 4.4 气敏测试
• 4.4.1 测试装置
• 4.4.2 气敏性质
• 4.5 反应机制
• 4.6 小结
• 第五章 ZnO纳米阵列湿度传感器
• 5.1 引言
• 5.2 材料合成与器件
• 5.3 材料性质
• 5.4 湿敏性质
• 5.4.1 测试装置
• 5.4.2 ZnO纳米棒阵列的电容响应
• 5.4.3 ZnO纳米棒阵列的电阻响应
• 2核壳结构纳米材料的电容响应'>5.4.4 ZnO/TiO₂核壳结构纳米材料的电容响应
• 5.5 反应机制
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 在读期间公开发表和接受论文
• 致谢