氧化铜和掺杂氧化锌多孔微球的制备及气敏性能研究

摘要

CuO作为一种重要的p型半导体，由于具有优异的表面电导率近年来已经在气体传感器领域引起大量的关注。然而，与常用的n型半导体材料(如SnO2和ZnO)相比，p型的CuO对测试气体的灵敏度通常较低。尽管ZnO已长期用于气体传感器领域，但该材料由于灵敏度低、选择性差和工作温度高的缺点在一定程度上限制了它的实际应用。离子掺杂和形貌控制被认作是提升气敏性能的两种有前途的方法。本论文通过形貌控制的方法提升了介孔-大孔CuO微球对乙醇的灵敏度，以Co和Fe元素对介孔ZnO微球进行掺杂分别提升了其对乙醇和正丁醇的灵敏度。论文主要结果如下:
　　(1)采用溶剂热法制备了由纳米片组装的介孔-大孔CuO微球，其比表面积为42.0 m2/g、孔容为0.224 cm3/g，孔径主要分布在8-58 nm之间，且片状构筑单元的厚度约为50 nm。该样品在150℃的工作温度下对100 ppm乙醇的灵敏度为13.7。灵敏度的提升是由比表面积和孔容的增大及片状构筑单元厚度的减小引起的。
　　(2)采用水热法制备了Co掺杂的介孔ZnO微球。摩尔比为3％的Co掺杂ZnO样品的比表面积为59.5 m2/g、孔容为0.110 cm3/g、孔径主要分布在2-12 nm之间。钴离子在样品中以+2价存在并且取代了ZnO晶格中Zn2+的位点。该掺杂量的ZnO元件具有最高的灵敏度，在350℃工作温度下对100 ppm乙醇的灵敏度达78.1，此数值是纯ZnO元件的5倍以上。该元件对100 ppm乙醇的恢复时间为9s。在90天内，该元件对乙醇灵敏度波动的最大偏差不超过10％。灵敏度的提升归结于更高的施主缺陷含量及更大的比表面积。
　　(3)采用水热法制备了Fe掺杂的介孔ZnO微球。摩尔比为4％的Fe掺杂ZnO样品的比表面积为56.2 m2/g，孔容为0.125 cm3/g，孔径主要分布在5-33 nm之间。Fe掺杂的ZnO元件能探测ppb级的正丁醇。摩尔比为4％的Fe掺杂ZnO元件在300℃工作温度下对正丁醇具有最佳的灵敏度。它对100 ppm正丁醇的灵敏度高达230.4，此数值是纯ZnO元件的11.5倍。该元件对10 ppb正丁醇的灵敏度为1.6，对正丁醇的检测下限小于10 ppb，且对正丁醇具有好的选择性。灵敏度的提升归结于更高的施主缺陷含量及更大的比表面积。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 引言

1．2 传感器简介

1．2．1 金属氧化物半导体气敏材料的介绍

1．2．2 半导体气体传感器的应用领域

1．3 金属氧化物半导体的气敏机理

1．3．1 吸附氧理论

1．3．2 肖特基接触势垒

1．3．3 氧空位的作用

1．3．4 施主和受主缺陷的浓度控制气敏性能

1．4 半导体气体传感器存在的问题

1．5 提升CuO材料气敏性能的方法

1．5．1 减小材料的尺寸提升CuO材料气敏性能

1．5．2 控制特殊形貌来提升CuO气敏性能

1．5．3 使用添加剂提升CuO气敏性能

1．6 提升ZnO材料气敏性能的方法

1．6．1 减小材料的尺寸提升ZnO材料气敏性能

1．6．2 控制特殊形貌来提升ZnO气敏性能

1．6．3 暴露高活性面提升ZnO气敏性能

1．6．4 使用添加剂提升ZnO气敏性能

1．7 本论文的研究意义与内容

2 实验部分

2．1 实验药品及设备

2．2 气敏材料的制备工艺流程

2．2．1 介孔-大孔CuO微球的制备工艺流程

2．2．2 Co掺杂和Fe掺杂介孔ZnO微球的制备工艺流程

2．3 气敏元件的制备工艺

2．4 气敏元件的性能参数

2．5 样品表征

3 介孔-大孔CuO微球的溶剂热法制备及气敏性能研究

3．1 引言

3．2 不同溶剂制备的介孔-大孔CuO微球的表征及气敏性能研究

3．2．1 XRD分析

3．2．2 形貌分析

3．2．3 比表面和孔结构分析

3．2．4 不同溶剂制备的CuO元件对乙醇的气敏性能研究

3．3 不同焙烧条件制备的介孔-大孔CuO微球的表征及气敏性能研究

3．3．1 XRD分析

3．3．2 形貌分析

3．3．3 比表面和孔结构分析

3．3．4 不同焙烧条件制备的CuO元件对乙醇的气敏性能研究

3．4 本章小结

4 Co、Fe掺杂介孔ZnO微球的水热法制备及气敏性能研究

4．1 引言

4．2 Co掺杂介孔ZnO微球的表征及对乙醇的气敏性能研究

4．2．1 XRD分析

4．2．2 形貌分析

4．2．3 UV-Vis吸收光谱分析

4．2．4 PL光谱分析

4．2．5 比表面和孔结构分析

4．2．6 XPS分析

4．2．7 不同Co掺杂量的ZnO元件对乙醇的气敏性能研究

4．3 Fe掺杂介孔ZnO微球的表征及对正丁醇的气敏性能研究

4．3．1 XRD分析

4．3．2 形貌分析

4．3．3 PL光谱分析

4．3．4 比表面和孔结构分析

4．3．5 不同Fe掺杂量的ZnO元件对正丁醇的气敏性能研究

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

附录

攻读学位期间主要的研究成果

致谢