氧化锌微米线酒精气体传感器研究

摘要

氧化锌(ZnO)作为一种Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，室温下直接带隙宽度为3.37eV，并具有较大的激子束缚能(60meV)，在光学、电子学等领域有着广泛的应用。同时ZnO还具备其他优异的性质，比如化学及热稳定性较好、电子迁移率较高、光敏感性以及气体敏感性较高等特点，是迄今应用最为广泛的半导体敏感材料之一。目前，多种ZnO微纳结构气敏器件被研制出来，其中一维ZnO微米线器件因其较高的比表面积和表面活性等独特的性质，成为气敏领域关注的热点。然而，通常基于ZnO材料的气敏传感器存在着耗能较高，恢复时间较长等缺点，影响了其进一步的推广使用。
　　本论文围绕一维ZnO微米线的可控生长、ZnO微米线气体传感器的制备、性能和气敏机理分析等相关问题，展开了一系列的研究工作，主要内容包括以下几部分:
　　(1)通过调控实验参数，利用化学气相沉积法(CVD)生长表面光滑、线径均匀可控、c轴取向性好的标准六方纤锌矿结构的ZnO微米线(ZnO HMW);利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和光致发光谱(PL)等表征手段对其形貌、结构、成分及发光特性等进行测试分析。
　　(2)将单根ZnO微米线固定在载玻片上制成酒精气体传感器件。通过测量电信号，得到室温下气敏器件的传感响应、响应和恢复时间、重复性、灵敏度、稳定性以及选择性等重要气敏参数，并重点研究了ZnO微米线在室温下的酒精气敏反应机理。
　　(3)通过在反应源中加大石墨粉末比例，利用CVD方法生长出曲边ZnO微米线(ZnOCMW)，其横截面为曲边六边形，线径可控。分析表明，ZnO CMW是由反应源中石墨粉比例增加，成核过快引起微米线径向方向的非线性生长导致的。由于ZnO CMW的比表面积比同样线径的ZnO HMW的大，并且特殊的表面形貌使其载流子密度增大。这些变化使ZnOCMW气敏器件在传感响应、响应时间等酒精传感性能方面都有相应提高。
　　(4)利用离子溅射法对制备的ZnO微米线进行Au纳米粒子修饰，得到表面改性的Au/ZnO微米线(Au/ZnO MW)。改性后的Au/ZnO微米线的酒精气敏性能得到了全面改善，尤其是在恢复时间以及灵敏度方面有着较大的提高，可以快速测量低浓度酒精气体，在酒精快速检测方面具有良好的应用前景。分析表明，通过自然光照射，Au纳米粒子在ZnO微米线表面产生等离子共振效应，提高了ZnO微米线的电导率。并且Au纳米粒子作为活性中心，能够加速H原子反溢流速度，加快酒精分子的解吸附过程。同时Au纳米粒子层会降低ZnO微米线的表面光滑程度，从而也有利于提高器件的气敏性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 气敏传感器概述

1．2 电阻式半导体气敏传感器

1．2．1 电阻式半导体气敏传感器发展与分类

1．2．2 电阻式半导体气敏传感器的气敏机理

1．2．3 电阻式半导体气敏传感器的主要特性参数

1．3 半导体气敏传感器尚待解决的问题

1．4 ZnO简介

1．4．1 ZnO的结构

1．4．2 ZnO应用前景

1．4．3 ZnO气敏传感器

1．5 选题的依据和本文主要工作

2 ZnO微米线的生长与表征

2．1 ZnO微纳米结构的生长机理

2．1．1 气-液-固(VLS)生长机理

2．1．2 气-固(VS)生长机理

2．1．3 螺旋位错生长机理

2．1．4 极性面控制生长机理

2．1．5 溶液-液相-固相(SLS)生长机理

2．1．6 模板辅助生长机理

2．2 ZnO微纳米结构的生长方法

2．2．1 化学气相沉积方法

2．2．2 水热法

2．2．3 分子束外延法

2．2．4 溶胶-凝胶(Sol-gel)法

2．2．5 模板法

2．3 相关表征技术

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 光致发光谱

2．3．3 X射线衍射谱(XRD)

2．3．4 透射电子显微镜(TEM)

2．3．5 电学性能测量

3 ZnO微米线的制备及其在酒精气体传感器中的应用

3．1 引言

3．2 ZnO微米线的制备

3．2．1 实验准备

3．2．2 ZnO微米线的制备

3．3 ZnO微米线气敏器件的制备与性能测试

3．3．1 气敏器件的制备

3．3．2 气敏器件的性能测试

3．3．3 特性表征

3．4 结果与讨论

3．4．1 ZnO MWs形貌

3．4．2 ZnO酒精气敏器件传感性能

3．4．3 ZnO酒精气敏器件传感机理

3．5 本章小结

4 曲边ZnO微米线酒精气体传感器

4．1 引言

4．2 曲边ZnO微米线的制备及其酒精气敏性能测试

4．2．1 曲边ZnO微米线的制备

4．2．2 曲边ZnO微米线气敏器件的制备与性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 ZnO CMW形貌

4．3．2 ZnO CMW酒精气敏器件传感性能

4．3．3 ZnO CMW酒精气敏器件传感机理

4．4 本章小结

5 Au／ZnO微米线酒精传感器

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 Au／ZnO微米线气敏器件的制备

5．2．2 Au／ZnO MW气敏器件性能测试

5．2．3 特性表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 SEM、TEM和EDS结果分析

5．3．2 X射线衍射(XRD)结果分析

5．3．3 光学性质分析

5．3．4 I-V特性

5．3．5 Au／ZnO MW酒精气敏器件传感性能

5．3．6 Au／ZnO MW酒精气敏器件传感机理

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介