氧化铟材料的形貌可控制备及其乙醇气敏性能研究

摘要

半导体金属氧化物氧化铟(In2O3)是一种重要的多功能材料，因其优异的物理和化学性能被广泛地应用于太阳能电池、透明电极、光电传感器、防静电涂料以及气体传感器。作为气体敏感材料，其敏感特性强烈地依赖于气敏材料的尺寸和结构等因素，例如颗粒尺寸、表面氧空位缺陷、暴露晶面、比表面积、维数、网络和孔隙率以及掺杂剂。本论文先通过水热法可控制备不同形貌的In(OH)3纳米粒子、立方体、十八面体等前驱体，再经过煅烧获得相应形貌的In2O3气敏材料，较系统地研究In2O3气体敏感材料的晶体颗粒大小、暴露{100}和{110}不同晶面的In和O原子的不同排列方式对材料表面氧空位形成的影响，并讨论氧空位和暴露晶面对气敏性能的影响，本论文主要研究内容如下：
　　对于In2O3纳米粒子，研究粒径大小对气体传感器灵敏度、响应/恢复时间、稳定性的影响。以InCl3·4H2O为In源，通过氨水和盐酸调整反应溶液的pH值为7、9、11，采用水热法可控制备不同粒径大小In(OH)3纳米颗粒前驱体，并通过煅烧获得相应的In2O3气敏材料。研究以不同粒径大小的In2O3纳米颗粒制作的气体传感器的气敏性能，深入探讨粒径大小对传感器的材料表面氧空位含量、气敏性能的影响，并揭示其与气敏性能的关系。重点讨论材料粒径大小与表面氧空位数量的关系以及不同粒径大小In2O3纳米粒子产生不同灵敏度的敏感机理。
　　对于In2O3立方体，研究在粒径大小基本相同且暴露相同{100}晶面的情况下，影响气敏性能的主要因素。采用不同的碱源四乙基氢氧化铵、四甲基氢氧化铵、尿素，以InCl3·4H2O为In原料，水热可控合成大小相当而且暴露相同{100}晶面的In(OH)3立方体前驱体，通过煅烧获得相应的In2O3立方体气敏材料。以其为研究模型，排除颗粒大小以及暴露晶面对气敏性能影响，研究不同碱源制备的立方体材料的表面氧空位缺陷结构对气敏性能的影响。根据材料的晶体结构，分析了{100}晶面次外层的氧空位的含量对气敏性能的影响，并进一步获得材料的表面氧空位缺陷与气敏性能的关系。揭示不同碱源对材料次外层氧空位生成以及气敏性能的影响，并对{100}晶面的In和O原子排列方式、次外层氧空位的形成以及敏感机理进行探讨。
　　对于In2O3十八面体，研究暴露{110}高能晶面对气敏性能的影响。采用水热法，以InCl3·4H2O为原料，通过调整碱源NaOH的用量以及反应介质中无水乙醇与去离子水的体积比可控合成暴露{100}和{110}晶面的In(OH)3十八面体前驱体。详细研究碱源NaOH的用量、反应介质中无水乙醇与去离子水不同体积比对In(OH)3十八面体形成的影响，并根据时间演变实验提出可能的生长机理。通过高温煅烧获得相应形貌的暴露{100}和{110}晶面In2O3十八面体气敏材料。通过材料晶面分析，研究不同暴露晶面的氧空位对气敏性能的影响，进一步探讨暴露高能面，氧空位的数量与气敏性能的关系。着重研究暴露{100}与{110}不同晶面上的In和O原子排列顺序不同的晶体结构对产生氧空位的影响，建立暴露晶面与材料结构及敏感特性之间的关系。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 气体传感器的特性

1.3 气体传感器的类型

1.4 金属氧化物的敏感机理

1.5 影响气敏性能的因素

1.6 In2O3气敏材料的制备方法

1.7 In2O3气敏材料的主要分类

1.8 本论文的主要研究内容

第2章 实验试剂及仪器表征

2.1 试剂及仪器

2.2 表征方法

第3章 不同粒径In2O3纳米粒子的制备及其气敏性能研究

3.1 引言

3.2 In(OH)3粒子前驱体结构和形貌

3.3 In2O3粒子结构和形貌

3.4 不同粒径In2O3传感器气敏性能

3.5 In2O3粒子的敏感机理

3.6 本章小结

第4章 暴露{100}晶面In2O3立方体的可控制备及气敏性能研究

4.1 引言

4.2 In(OH)3立方体前驱体结构和形貌

4.3 In2O3立方体的结构和形貌

4.4 In2O3立方体传感器气敏性能

4.5 In2O3立方体敏感机理

4.6 本章小结

第5章 暴露{100}和{110}晶面的In2O3十八面体的可控制备及气敏性能研究

5.1 引言

5.2 In(OH)3十八面体前驱体的可控制备

5.3 In(OH)3十八面体的表征

5.4 In(OH)3十八面体的形成机理

5.5 In2O3十八面体的表征

5.6 In2O3十八面体的气敏性能

5.7 In2O3十八面体的敏感机理

5.8 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历