多孔复合半导体氧化物材料的构建及其气敏传感器研究

论文摘要

近年来,由于经济的持续提升,我国人民群众的生活质量也有了相应的改善,但是在发展经济的同时由于大量有毒害废气的排放对环境以及人的健康状况造成了很大伤害。因此,越来越多的人们在物质生活满足的同时对环境安全也有了更多的关注。为了实时有效的检测这些存在于身边的毒害气体,气敏传感器便应运而生,并且被广泛地应用于室内外气体的检测。气敏传感器最核心的部分之一就是敏感材料,而其中涉及最多的就是半导体氧化物。由于逐步严格的监测要求,传统半导体氧化物便不能再满足需求。因此,通过环境友好、方法简单的路径来调控半导体氧化物的组成及形貌进而提高其制成传感器的气敏性能已是形势所需。本文通过水热法和溶剂热法成功地制备了具有不同形貌的半导体氧化物材料,并通过煅烧和掺杂来设计与构建材料的结构和组成,以期提高其气敏性,同时提出了可能的气体敏感机理。主要研究内容如下:1、通过简单的水热法以及不同高温煅烧成功合成了分级多孔和无孔SnO2微米花,并通过X射线衍射（XRD）和能量色散谱图（EDS）探究了产物的微观结构,利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和氮气吸附脱附来表征其形态。制作了基于所得样品的气敏传感器并探究了其相关特性。研究结果表明,240℃的最佳操作温度时,在500℃高温下煅烧所得的分级多孔SnO2微米花对100 ppm乙醇的灵敏度是205.6,响应-恢复时间为3 s和45 s,其测量下限为0.1 ppm（灵敏度为1.9）。而在400℃煅烧所得无孔SnO2微米花材料对100ppm乙醇的灵敏度、响应恢复时间及检测限分别为:52.9,3 s和145 s,和1.0ppm（灵敏度为2.0）。由此可知,分级多孔SnO2微米花比无孔SnO2微米花表现出更优的气敏性能。2、利用环保易行的水热法制备了Ga掺杂和未掺杂的SnO2多孔微米花,并通过XRD、EDS、X射线光电谱图（XPS）、SEM以及氮气吸附脱附等表征实验确定所制备材料的组成及其结构,制作并比较了基于两种材料所制成器件的性能。研究显示,230℃是两种材料共同的最佳工作温度。在此温度下,基于3 wt%Ga掺杂的SnO2多孔微米花器件对甲醛表现出更高的灵敏度（95.8/50 ppm）,是纯SnO2多孔微米花器件灵敏度（21.2/50 ppm）的4.5倍。其响应恢复时间为3 s和39 s,并且该器件还拥有低的检测下限（3.0/0.1 ppm）,和良好的选择性。3、采用溶剂热法制成了纯Fe2O3微米球和Gd2O3/Fe2O3复合疏松微米球,并通过相关表征方法研究了它们的元素组成和形态结构。基于所制备的材料制作了气敏传感器并对他们的气敏性进行了系统的比较。结果表明,基于Gd2O3/Fe2O3复合疏松微米球传感器在220℃的最佳温度下于多种气体中对丙酮表现出优异的气敏性,其灵敏度为268.6（100 ppm）,是纯Fe2O3微米球器件灵敏度的9.8倍（27.5/100 ppm）,其对应的响应恢复时间分别为6 s和36 s。另外,Gd2O3/Fe2O3疏松微米球传感器检测限可低至0.1 ppm（灵敏度2.3）,而且其选择性优异。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 气敏传感器
•     1.1.1 气敏传感器的简介
•     1.1.2 气敏传感器的种类
•   1.2 半导体材料
•     1.2.1 半导体材料的概述
•     1.2.2 半导体材料的制备
• 2半导体材料简介'>    1.2.3 SnO₂半导体材料简介
• 2O₃半导体材料简介'>    1.2.4 Fe₂O₃半导体材料简介
•   1.3 选题意义与主要内容
• 2的合成及其气敏传感器研究'>第2章 分级多孔及无孔花状SnO₂的合成及其气敏传感器研究
•   2.1 引言
•   2.2 样品的制备
•     2.2.1 实验药品
• 2的合成'>    2.2.2 分级多孔和无孔花状SnO₂的合成
• 2的结构与形貌表征'>  2.3 分级多孔和无孔花状SnO₂的结构与形貌表征
• 2气敏传感器的性能探究'>  2.4 基于分级多孔和无孔花状SnO₂气敏传感器的性能探究
•     2.4.1 气敏传感器的温度特性探究
•     2.4.2 气敏传感器的响应-恢复特性探究
•     2.4.3 气敏传感器的浓度特性探究
•     2.4.4 气敏传感器的选择性特性探究
• 2气敏传感器的敏感机理分析'>  2.5 基于分级多孔花状SnO₂气敏传感器的敏感机理分析
•   2.6 本章小结
• 2多孔微米花的合成及其气敏传感器研究'>第3章 Ga掺杂SnO₂多孔微米花的合成及其气敏传感器研究
•   3.1 引言
•   3.2 材料的制备
•     3.2.1 实验药品
• 2多孔微米花的合成'>    3.2.2 Ga掺杂SnO₂多孔微米花的合成
• 2多孔微米花的结构与形貌表征'>  3.3 Ga掺杂SnO₂多孔微米花的结构与形貌表征
• 2多孔微米花气敏传感器的性能研究'>  3.4 基于Ga掺杂的SnO₂多孔微米花气敏传感器的性能研究
•     3.4.1 气敏传感器的温度特性探究
•     3.4.2 气敏传感器的响应恢复特性探究
•     3.4.3 气敏传感器的浓度特性探究
•     3.4.4 气敏传感器的选择性特性探究
•     3.4.5 湿度对气敏传感器的性能影响的探究
• 2多孔微米花气敏传感器的敏感机理分析'>  3.5 基于Ga掺杂SnO₂多孔微米花气敏传感器的敏感机理分析
•   3.6 本章小结
• 2O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球的合成及其气敏传感器研究'>第4章 纯的Fe₂O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球的合成及其气敏传感器研究
•   4.1 引言
•   4.2 材料的合成
•     4.2.1 实验药品
• 2O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球的合成'>    4.2.2 纯的Fe₂O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球的合成
• 2O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球的结构与形貌表征'>  4.3 纯的Fe₂O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球的结构与形貌表征
• 2O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球气敏传感器的性能探究'>  4.4 基于纯的Fe₂O₃和Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球气敏传感器的性能探究
•     4.4.1 气敏传感器的温度特性探究
•     4.4.2 气敏传感器的响应恢复特性探究
•     4.4.3 气敏传感器的浓度特性探究
•     4.4.4 气敏传感器的选择特性探究
•     4.4.5 气敏传感器的稳定特性探究
• 2O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球传感器的敏感机理分析'>  4.5 基于Gd₂O₃/Fe₂O₃复合疏松微米球传感器的敏感机理分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜立婷

导师: 刘丽

关键词: 半导体氧化物,气敏传感器,气敏性

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 材料科学,环境科学与资源利用,自动化技术

单位: 吉林大学

分类号: TB381;X851;TP212

总页数: 69

文件大小: 3881K

下载量: 137