石墨烯负载p型-n型半导体氧化物及其气敏性能研究

摘要

当今社会对于环境以及健康的关注已越来越高，因此，开发一种高灵敏度、优选择性、可用于多相（气相或液相）的气敏元件用来检测环境污染气体和有毒气体就显得十分必要。在众多气敏元件材料中，一些新型的金属氧化物组合（尤其是p型联合n型金属氧化物半导体）已成为研究的热点。与此同时，石墨烯或化学还原的氧化石墨烯(rGO)作为一种新颖的碳材料，有望应用到气敏元件中，进一步改善气敏元件的性能。
　　本文首先采用了两步法（回流+水热）制备了四氧化三钴-氧化锌-石墨烯三元复合物。在实验过程中，氨水的加入与蒸发对成功将p型半导体四氧化三钴与n型半导体氧化锌同时负载到石墨烯上面起到了关键作用。经过实验条件对比分析，石墨烯片层以及PVP的引入有助于四氧化三钴-氧化锌/石墨烯三元复合物结构与形貌的优化。
　　根据四氧化三钴-氧化锌/石墨烯传感器元件的性能测试发现，该材料可实现多相界面中的气敏响应。四氧化三钴-氧化锌/石墨烯对于气相苯甲醛表现出优秀的气敏性能（对10 ppm苯甲醛达到灵敏度达到6.6）;同时，四氧化三钴-氧化锌/石墨烯对于液相中的苯甲醛同样呈现出良好的响应（灵敏度达到7.98μA·cm-2·mM-1）。实验结果反映出四氧化三钴-氧化锌/石墨烯材料是一种适用于多相界面中检测目标物的新型材料。
　　进一步地，利用一步水热法成功制备了氧化铜-氧化锌/石墨烯三元复合物。通过对材料组分、形貌以及结构的分析发现，该方法实现了将大量纳米尺度的p-n结(CuO-ZnO)引入到了rGO片层上。经过气敏测试发现，该材料对丙酮表现出优秀的响应性能（对10 ppm苯甲醛灵敏度达到9.4）。更重要的是，该三元复合物气敏元件实现了将具有交叉响应现象的乙醇和丙酮气体成功区分。该材料体系优异的气敏特性源于大量纳米尺度的氧化铜-氧化锌p-n结与石墨烯优秀载体之间的协同作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 半导体气敏传感器概述

1．2 石墨烯、氧化石墨烯简介

1．3 石墨烯(rGO)复合物的制备及气敏性能

1．4 石墨烯(rGO)三元复合物的探索

1．5 论文选题目的和意义

2 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物材料的制备及讨论

2．1 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物的制备

2．1．1 实验试剂

2．1．2 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物的制备

2．1．3 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯的结构表征

2．2 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物的结构及形貌分析

2．2．1 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物的形貌

2．2．2 改变反应条件对四氧化三钴-氧化锌／石墨烯复合纳米结构的形貌影响

2．3 不同反应途径及反应历程讨论

2．3．1 一次水热制备方法(一步法)及分析

2．3．2 回流加水热法制备方法(两步法1)及分析

2．3．3 回流加水热法制备方法(两步法2)及分析

2．4 本章小结

3 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物材料在气／液相中的气敏性能研究

3．1 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物对于乙醇(气相)气敏性能研究

3．1．1 气敏元件的制备

3．1．2 气敏性能研究

3．2 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物对于苯甲醛(气相)气敏性能研究

3．2．1 气敏元件的制备

3．2．2 气敏性能研究

3．3 四氧化三钴-氧化锌／石墨烯三元复合物对于苯甲醛(液相)气敏性能研究

3．3．1 液相测试元件的制备

3．3．2 液相性能研究

3．4 四氧化钴-氧化锌／石墨烯三元复合物的响应机理

3．5 本章小结

4 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物材料的制备及气敏性能

4．1 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物的制备与表征

4．1．1 实验试剂

4．1．2 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物的制备

4．1．3 CuO-ZnO／rGO的结构表征

4．2 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物气敏性能研究

4．2．1 气敏元件的制备

4．2．2 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物对于丙酮气敏性能研究

4．2．3 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物气敏选择性的性能研究

4．3 氧化铜-氧化锌／石墨烯三元复合物气敏响应机理

4．4 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况

攻读硕士学位期间学术成果获奖情况