花状ZnO纳米管团簇的制备及其气敏性能研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的宽带隙的半导体氧化物材料，为六角纤锌矿结构。纳米ZnO具有优异的光学、电学、光催化、气敏等物理性能，在太阳能电池、透明电极、光催化降解和气敏传感器等领域得到了广泛的应用。其中，ZnO纳米薄膜气敏传感器制备成本较低，能满足集成化、微型化、多功能化等要求，是未来气敏传感器的发展方向之一。但是由于其表面积小，使得探测灵敏度不高；需在高温环境下工作，容易引起晶粒合并、孔隙率和晶界的变化，从而使稳定性下降。针对ZnO纳米薄膜气敏传感器存在的问题，结合一维纳米结构具有高的比表面积，高的灵敏度和较低的工作温度，本文主要工作是采用磁控溅射方法直接在气敏元件（氧化铝陶瓷）上沉积一层ZnO薄膜，其次通过两步水热法将ZnO籽晶生长为花状的ZnO纳米管团簇。对材料的微观结构进行了系统表征，并对其对无水乙醇、丙酮、甲醇以及甲醛等气体的气敏性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴利用磁控溅射技术直接在气敏元件（氧化铝陶瓷）上沉积一层ZnO薄膜，作为种子层，结合两步水热法将ZnO籽晶生长为花状的ZnO纳米管团簇。通过扫描电子显微镜(SEM)、x射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)表征分析显示，花状形貌的ZnO团簇是由许多根纳米管辐射发散自组装形成的，ZnO纳米管为六方纤锌矿单晶结构，沿[0001]方向高度择优生长。并且根据晶体成核和生长方向理论,对花状ZnO纳米管团簇的生长机理进行了探讨。⑵利用磁控溅射技术在前期制备的花状ZnO纳米管团簇表面进行物理气相沉积贵金属Pt和半导体氧化物SnO2。通过SEM附件能谱分析（EDS）和拉曼（Raman）表征，证实贵金属 Pt和氧化物 SnO2成功修饰到花状ZnO纳米管表面。⑶将表面生长有花状ZnO纳米管团簇以及修饰贵金属Pt和氧化物SnO2的气敏元件组装成器件，检测其对无水乙醇、丙酮、甲醇和甲醛等气体的气敏性能。分析ZnO纳米管的气敏工作机理，并解释ZnO纳米管表面修饰贵金属Pt和氧化物SnO2后气敏性能提高的原因。

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上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 氧化锌的结构、性质及应用

1.3 气体传感器简介

1.4 本文的研究内容

第二章 实验方法

2.1 磁控溅射的镀膜机理

2.2 一维纳米 ZnO材料的制备工艺

2.3 性能表征方法

2.4 气敏测试方法

2.5 本章小结

第三章 花状ZnO纳米管团簇的制备与表征

3.1 引言

3.2 磁控溅射法制备ZnO纳米薄膜

3.3 水热法合成花状ZnO纳米管

3.4 ZnO纳米薄膜和ZnO纳米管的微观组织表征

3.5 本章小结

第四章 ZnO基气敏传感器的性能研究

4.1 纯ZnO纳米管的气敏性能

4.2 ZnO纳米管掺Pt后的气敏性能

4.3 ZnO纳米管修饰金属氧化物SnO2的气敏性能

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

附录1

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及申请的专利