ZnO基纳米棒阵列气敏材料合成与性能

摘要

ZnO是最早使用的气敏材料之一，对还原性气体或可燃性气体具有良好的气敏性能。ZnO颗粒和薄膜的气敏性能已经得到了广泛的研究，但普遍存在灵敏度低、选择性差等缺点。ZnO纳米棒等一维纳米材料具有比薄膜更大的比表面积并且能克服颗粒在高温下容易团聚的缺点，显示出优良的气敏性能。对这些一维纳米材料进行掺杂改性，可有效改善和提高其气敏性能。
　　 本文采用两步化学溶液法在氧化铝陶瓷管上先生长出ZnO纳米棒阵列，然后制备出ZnO：Al3+和ZnO：Au纳米棒阵列体系。结果表明，ZnO纳米棒长度为约1.1μm，直径在40-80nm之间，呈c轴取向，晶体结构为六方纤维锌矿结构。ZnO和ZnO：Al3+纳米棒阵列体系对乙醇和LPG气敏性能研究表明，Al3+的掺杂浓度在0.25 wt％（Al/Zn），时，元件达到最佳灵敏度；ZnO：Al3+纳米棒阵列在工作温度为340-380℃时，具有最佳的气敏性能；气敏元件对1000 ppm LPG和乙醇的灵敏度分别为11.5和32.8，同时，气敏元件对1000 ppm LPG和乙醇的响应时间分别小于30 s和20 s。与纯ZnO纳米棒阵列相比可知，Al3+掺杂能提高ZnO纳米棒阵列对LPG和乙醇的气敏性能。对ZnO：Au纳米棒阵列体系的气敏性能研究表明，当Au纳米颗粒尺寸为11 nm时，ZnO：Au纳米棒阵列元件达到最高灵敏度，最佳工作温度在300-340℃左右；ZnO：Au纳米棒阵列体系对乙醇与LPG表现出优良的气敏性能，并且对乙醇有较高的选择性；气敏元件对100 ppm乙醇的灵敏度已达到63.5，当乙醇浓度降低到10 ppm，元件灵敏度仍然接近6.5，对10 ppm乙醇的响应时间约为15 s；气敏元件对500 ppm LPG的灵敏度为36.2，响应时间小于30 s；另外，ZnO：Au纳米棒阵列体系对甲醛也表现出良好的气敏性能，气敏元件对500 ppm甲醛的灵敏度为35.6。对ZnO纳米棒阵列及复合体系的浸润性研究表明，ZnO和ZnO：Al3+纳米棒阵列均表现出疏水性，ZnO：Al3+纳米棒阵列体系的接触角略小于ZnO纳米棒阵列，而ZnO：Au纳米棒阵列体系表现为亲水性；从光致发光研究中可知，纯ZnO纳米棒阵列的光致发光谱（PL）主要由两部分组成：一部分是位于391 nm附近的近带边紫外发射（NBE），另一部分是可见区发射，Al3+掺杂使峰位出现“红移”，而Au纳米颗粒不影响发射峰位；与ZnO纳米棒阵列相比，复合体系均减弱了其光致发光强度。