论文摘要
ZnO是一种n型金属氧化物半导体,由于具有稳定的物理化学性能、成本低等优点而被广泛应用。基于ZnO纳米结构的纳米膜、纳米线、纳米带、纳米棒、纳米管、纳米球等常用于检测甲烷、甲醛、氢气、乙醇等其他气体,但常常存在灵敏度低、选择性差等缺点。因为ZnO半导体气体传感器是表面电阻控制型的,其灵敏度主要取决于表面结构,所以不易团聚的具有高比表面积和多孔结构有利于气体的扩散,因此多孔空心结构材料有利于提高材料气敏性能。多孔结构可由模板法或溶液法制得。表面活性剂会选择性的吸附在晶体表面,从而影响晶面的生长速率,最终影响材料的形貌。本文利用柠檬酸钠为表面活性剂,采用共沉淀法制备出表面由颗粒堆积而成,颗粒粒径为5-8 nm的ZnO多孔空心球,比表面积为41.84 m2/g,形貌可由反应时间和柠檬酸钠浓度控制。用此材料制成气敏元件,对较宽浓度范围内的乙醇等气体表现出良好的气敏性能,对10 ppm和500 ppm的乙醇灵敏度分别为9.6和37,响应和恢复时间分别为9s和11s、10s和19s。对这一纳米材料进行稀土离子掺杂改性,可有效改善和提高其气敏性能。ZnO:La3+体系对乙醇等气体的气敏性能研究表明,La3+的掺杂浓度在3mol% （La/Zn）时,元件达到最佳灵敏度;气敏元件对500 ppm乙醇、氢气的灵敏度分别为51.3和49.4。ZnO:Dy3+体系对500 ppm乙醇、氢气的灵敏度分别为48.2和39.4。与纯ZnO纳米棒阵列相比可知,稀土离子掺杂能提高ZnO纳米球对乙醇等气体的气敏性能。ZnO:La3+纳米棒和ZnO-Fe2O3复合体系对乙醇等表现出良好的性能。适宜的浓度的Fe2O3才能够均匀分布,与阵列紧密结合。对ZnO:La3+纳米棒阵列的气敏性能研究表明:对乙醇等表现出优良的气敏性能,对10 ppm和500 ppm乙醇的灵敏度达到3.6和17.2。对ZnO:Fe2O3复合体系的气敏性能研究表明:当Fe2O3浓度为0.0125 mol·L-1时,体系灵敏度最高,对10 ppm和500 ppm乙醇的灵敏度为4.3和22.5。从光致发光研究中可知,ZnO纳米球的光致发光谱（PL）主要由两部分组成:一个是在385 nm附近出现的紫外光发射峰,该峰为ZnO的本征发光峰;另一个是在470 nm附近出现的蓝绿色发光峰,是由大量的表面/界面缺陷产生。La3+掺杂后两个峰的峰位发生红移。