金属氧化物半导体气敏膜的制备与修饰

摘要

气体传感器的气敏特性主要取决于其气敏材料的性能。对于已应用于生产生活中的金属氧化物半导体气敏膜的改性与修饰鲜有报道。本文则从此出发，选取已应用于工业生产中的 SnO2气敏膜、WO3气敏膜和 Pd-SnO2气敏膜作为改性修饰对象，对SnO2气敏膜、WO3气敏膜采用有机小分子半导体酞菁铜进行了改性,对 Pd-SnO2气敏膜采用聚偏氟乙烯微孔膜进行了宏观结构修饰。本文主要研究内容如下：
　　工作中通过浸渍组装过程制备了 CuPcTS/SnO2复合膜。P型的 CuPcTS分子均匀的吸附在 n型的 SnO2膜表面并形成了 p-n异质结。由于将 CuPcTS分子对NO2在低温下的高吸附能力结合了 SnO2膜的高电导率和优良的稳定性，因此CuPcTS/SnO2复合膜气敏性能表现出了显著的提升，并对 ppb级别的 NO2有高灵敏度和高选择性。CuPcTS/SnO2复合膜对1 ppm NO2的响应值为2400几乎是原始 SnO2膜的24倍。基于最小平方法所拟合的线性关系，CuPcTS/SnO2复合膜的检测极限（信噪比为3）接近40 ppb。此外，CuPcTS/SnO2复合膜的 NO2选择性也显著的提高了。纯SnO2膜对1 ppm NO2的响应值分别是50 ppm CO和SO2的5倍和10倍。然而，在相同浓度下复合膜的响应值分别是60和50倍。CuPcTS/SnO2复合膜对 ppb级 NO2超高的灵敏度和选择性表明了其在室内和室外检测NO2浓度避免空气污染方面的光明前景。
　　同样通过浸渍组装过程制备了 CuPcTS/WO3复合膜。CuPcTS/WO3复合膜气敏性能与 CuPcTS/SnO2复合膜一样表现出了显著的提升，并对 ppb级别的 NO2有高灵敏度和高选择性。CuPcTS/WO3复合膜对0.1 ppm NO2的响应值为92是原始 WO3膜的5.4倍。基于最小平方法所拟合的线性关系，CuPcTS/WO3复合膜的检测极限（信噪比为3）接近70 ppb。CuPcTS/WO3复合膜的 NO2选择性同样获得显著的提高。实验测得 WO3膜对0.1 ppm NO2灵敏度分别是50 ppm CO和SO2的13倍和10倍，但在相同的浓度下的CuPc/WO3复合膜响应分别是83和90倍。通过 SnO2膜与 WO3膜气敏性能提高可以看出，CuPc可以在显著提升室温下 n型金属氧化物半导体对 NO2的灵敏度与选择性。这种选择性的提升是由于 CuPc分子在金属氧化物表面与金属氧化物形成电子转移通道，导致NO2在 CuPc分子表面的吸附与解吸会导致金属氧化物半导体内部的电子转移导致材料的气敏性能获得提升。
　　通过超声辅助法制得了 Pd-SnO2纳米颗粒，实验检测发现材料在0RH％150℃下具有良好的H2检测性能，但Pd-SnO2的气敏性能随空气湿度增加严重下降，其在100 RH%下对50 ppm H2会损失70%的灵敏度，并随检测气体浓度增加，其灵敏度损失增加，至500 ppm时其灵敏度损失达到82%。采用相分离方法，在 Pd-SnO2气敏膜表面沉积出多孔 PVDF膜以改良其在高湿度空气下的表现。经检测，具有 PVDF-Pd-SnO2气敏膜所具有的抗湿能力相对比 Pd-SnO2气敏膜具有良好的提升，其在100 RH%下灵敏度损失为22%并且其灵敏度损失随H2浓度降低，至500 ppm时其灵敏度损失为12%，但PVDF-Pd-SnO2气敏膜同样具有整体灵敏度低的缺陷，相对于 Pd-SnO2气敏膜其在干燥环境下灵敏度降低了12。

目录

第一章绪论

1.1半导体气体传感器概述

1.1.1国内外半导体气体传感器研究现状

1.1.2金属氧化物半导体气敏机理

1.2 SnO2气敏性能概述

1.2.1纳米SnO2的制备及气敏性能

1.2.2掺杂法SnO2基气敏材料的制备及性能

1.2.3总结

1.3 WO3气敏性能概述

1.3.1纳米WO3气敏材料的制备与性能

1.3.2掺杂改性WO3气敏性能概述

1.3.3总结

1.4有机半导体气敏材料与碳材料的气敏性

1.4.1有机半导体气敏材料

1.4.2碳材料

1.5本文的选题依据

第二章酞菁铜改性气敏膜的制备与性能检测

2.1 CuPc/SnO2气敏薄膜的制备与性能检测

2.1.1前言

2.1.2实验过程

2.1.3结果与讨论

2.2 CuPc/WO3气敏膜的制备与性能检测

2.2.1前言

2.2.2实验材料和方法

2.2.3.结果与讨论

第三章PVDF-Pd-SnO2气敏膜制备与性能检测

3.1前言

3.2材料制备与检测方法

3.3实验结果

3.4结果与机理讨论

结论

参考文献

致谢

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