WO3纳米晶微观形貌、物相和晶面结构控制及气敏性能研究

摘要

WO3基半导体金属氧化物气体传感器具有制造简单、成本低廉、灵敏度高、响应速度快和可靠性高等优点，受到科研工作者和工业界的重视。本课题利用水热法，通过控制结构导向剂的种类和含量、水热温度、体系pH值以及热处理工艺制备 WO3纳米晶并对其进行气敏测试，研究了材料形貌、物相结构和晶面结构对材料气敏性能的影响，并探讨了气敏选择性机理以及提高材料气敏选择性的方法。
　　WO3纳米晶的微观形貌对其气敏响应量、响应/恢复时间、灵敏度和选择性都具有重要影响。相对于 WO3纳米粒子，纳米棒和纳米块，纳米片由于具有取向性、粒径较小且无团聚现象，具有最高的气体响应量、灵敏度和最好的选择性。因此不同形貌的WO3纳米晶材料表现出不同的气敏性能，WO3二维纳米晶气敏性能优异，在制备气敏器件中将发挥重要的作用。
　　WO3纳米晶的物相结构对其气敏性能，尤其是选择性具有重要影响。三斜相WO3纳米片在230℃对20 ppm丙酮气体的响应量为9.6，响应时间和恢复时间分别为15 s和16 s，且基线稳定，对其他气体的响应量低于4，具有气敏选择性好、灵敏度高、稳定性好以及工作温度低等优点，气敏性能优于单斜相和六方相。这是由于三斜相 WO3纳米晶具有离心结构，结构对称性低于单斜相和六方相，具有较大的偶极矩。极性分子丙酮也具有较大的偶极矩，因而与三斜相WO3之间的相互作用较强，使得三斜相WO3对丙酮具有较大的响应量。三斜相WO3纳米片在100℃对NO2具有超敏特性和极好的选择性，对300 ppb NO2气体的响应量为18.8。由于 NO2具有未配位电子对，是强氧化性和强电负性气体，与WO3接触后极易夺取材料表面电子使材料电阻值显著升高，因而WO3表现出对NO2极强的敏感性和选择性。
　　暴露晶面和晶面原子结构对材料气敏性能具有重要影响。三斜相 WO3纳米片由于暴露(200)晶面，晶体表面具有较多O1c活性点位，可与被测气体分子在其工作温度下发生化学吸附和反应，而单斜相和六方相在其主晶面上则暴露较少或不暴露 O1c点位。因此，在单斜、三斜和六方相三者中，三斜相 WO3纳米片具有最好的气敏活性和最高的气敏响应量。

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第一章 文献综述

1.1引言

1.2半导体气敏传感器研究进展

1.3纳米氧化物半导体气敏材料的制备方法

1.4纳米氧化物半导体气敏材料的微结构、制备及气敏性能间的关系

1.5 WO3二维纳米晶材料的气敏特性及其气敏机理

1.6相结构与晶面取向控制对材料气敏性能的影响

1.7课题的提出

第二章 实验过程与测试

2.1实验原料及设备

2.2水热技术制备WO3二维纳米晶气敏材料的工艺

2.3旁热式气敏传感器的制备工艺

2.4材料气敏性能测试

2.5材料表征方法

第三章 WO3纳米晶的水热法制备工艺研究及气敏性能分析

3.1结构导向剂对WO3纳米晶微观形貌及晶体结构的影响

3.2水热温度对WO3纳米晶微观形貌及晶体结构的影响

3.3溶液pH值对WO3纳米晶微观形貌及晶体结构的影响

3.4热处理温度对WO3纳米晶微观形貌及晶体结构的影响

3.5各维度WO3纳米晶对丙酮气体的气敏性能分析

3.6各维度WO3纳米晶对NO2气体的气敏性能分析

3.7本章小结

第四章 WO3二维纳米晶的相结构控制及气敏选择性研究

4.1 WO3二维纳米晶的相结构控制

4.2 单斜相、三斜相和六方相 WO3二维纳米晶对丙酮气体的气敏性

4.3 单斜相、三斜相和六方相 WO3二维纳米晶对 NO2气体的气敏性能对比

4.4 WO3二维纳米晶的物相结构分析及其对材料气敏选择性的影响

4.5 WO3二维纳米晶的暴露晶面原子结构分析及其对材料气敏选择性的影响

4.6 提高WO3二维纳米晶气体选择性方法探讨

4.7 本章小结

第五章 全文结论

创新性说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢