层状多孔ZnO自持膜的制备及其气敏性能研究

论文摘要

ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体材料,它在室温下的禁带宽度为3.37ev,并具有高达60meV的激子结合能。由于具有上述优良的性质,它一直被广泛应用于压电换能器、压敏传感器和太阳能电池等领域。除了上述应用之外,ZnO气体传感器也是当前半导体气体传感领域的主要的研究方向,特别是构筑多孔ZnO气敏材料是近年来半导体传感器的研究热点。本论文通过片状碱式硫酸锌薄片组装成自持膜,然后热处理得到层状多孔的ZnO自持膜,并在此基础上发展出一种新颖的贴片式气敏传感器制备方法,对其气敏特性进行研究,主要研究内容如下:首先通过对ZnSO4·7H2O在150°C下进行水热反应合成出高径厚比的碱式硫酸锌薄片（ZHS）,然后将这种大面积的薄片组装成一定厚度的自持膜并进一步热处理成具有多孔结构的层状ZnO厚膜。对不同阶段的样品进行了XRD/SEM/BET/TG-DTA表征分析,研究表明:不同的酸碱度会对碱式硫酸锌薄片形貌产生影响,在0.02M NaOH溶液中可以得到直径达400μm,厚度约为2μm的六方形柔韧薄片,如果pH值继续升高,ZHS薄片的径厚比将降低;通过简单经济的抽真空滤,ZHS薄片可以被组装成具有良好取向性的碱式硫酸锌厚膜;随着对ZHS厚膜热处理温度的提高,ZnO厚膜逐渐从600°C的表面翘起结构发展到700°C的多孔结构,最后在800°C时出现晶粒的长大,不同的温度与升温速度都会对多孔结构、比表面积和结晶度产生影响。采用新颖的贴片工艺将层状多孔ZnO厚膜制成气敏器件,并对它的气敏传感性能包括不同气体的最佳工作温度、选择性、响应恢复时间等进行了研究。结果发现,ZnO厚膜对H2S气体的选择性最高,同时厚膜的孔结构与结晶度都对气敏特性有较大的影响,但对乙醇、丙酮和氢气等气体来说,这两种因素影响的程度不一样。对气敏器件重复性和长期温度性研究表明,这种基于层状多孔ZnO自持膜的贴片式气敏器件具有良好的重复性和稳定性,这意味着这种多孔的ZnO自持厚膜具有被应用于环境检测电子器件的潜在价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 半导体型气敏传感器介绍
• 1.3 ZnO 气敏材料的研究进展
• 1.4 本课题研究的意义和内容
• 2 层状多孔ZnO 厚膜的制备
• 2.1 前言
• 2.2 片状碱式硫酸锌（ZHS）的水热合成及分析
• 2.3 片状ZHS 的自组装及热处理
• 2.4 层状多孔ZnO 厚膜的形貌分析
• 2.5 本章小结
• 3 层状ZnO 厚膜气体传感器性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 层状ZnO 厚膜的器件制作
• 3.3 气敏性能测试平台及测试方法
• 3.4 层状ZnO 厚膜的气敏特性
• 3.5 不同烧结方式下的气敏性能比较
• 3.6 气敏元件的稳定性研究
• 3.7 本章小结
• 4 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录