一维纳米材料的场致电离传感器的研制及其气敏特性研究

摘要

在对国内外场致电离气体传感器研究进展进行详细调研的基础上，发现它始终存在着工作电压高、选择性差和稳定性差问题。本论文避开传统的依靠击穿电压下降和击穿电流值来检测气体的方法，重点研究了场致电离传感器的暗电流和气体击穿后脉冲电流特性。传统的击穿电压和击穿电流的气体检测方法建立在气体剧烈放电基础上，会对电极的纳米结构造成严重破坏。此外，在混合气体中，仅仅依靠击穿电压和击穿电流值并不能同时获得测试气体的种类和浓度信息。因此，本论文提出暗电流和气体击穿后脉冲电流检测气体的新方法。从原理、理论基础和各种影响因素等方面进行了系统的研究，并用以检测有毒有害气体和湿度。设计并研制出基于一维纳米材料的场致电离传感器，建立了相应的电流或电压测试平台。 第一章全面回顾了研究气体传感器的现状、气体的检测方法、气体传感器的分类、气体放电的分类、气体电离式传感器和纳米材料的离子化作用，找出了场致电离传感器依靠击穿电压和击穿电流值检测气体存在选择性差和稳定性差问题。在此基础上确定了论文的研究方向和内容，确定采用暗电流和气体击穿后脉冲电流的检测方法来提高选择性和稳定性，确定以乙酸和氨气等为研究对象。 第二章探讨了一维纳米材料及其阵列的制备。分别采用聚合物分解原位生长法、化学气相沉积法和丝网印刷法制备出了碳纳米管膜，用溶剂热法制备出了氧化锌纳米棒阵列。用场发射扫描电镜、透射电子显微镜、激光拉曼光谱仪等方法详细地表征了制备出来的碳纳米管和氧化锌纳米棒的形貌和结构。 第三章详细讨论了场致电离传感器的结构设计与制作，建立了暗电流和击穿电压测试平台，比较了多种阳极纳米材料的离子化效果。提出了通过场致电离传感器的暗电流检测气体的新方法，深入研究出了该方法对气体的敏感响应机理，从理论上分析并预测了暗电流与测试气体浓度的关系。实验探讨了场致电离传感器的暗电流和击穿电压方法对空气中少量有机气体的敏感响应。结合气体分子的自身特性阐述了场致电离传感器对气体的选择性问题。详细讨论了采用不同阳极材料的场致电离传感器在不同气氛下，击穿电压的稳定性问题，找出导致击穿电压不稳定因素。通过实验获得了击穿电压与有机气体浓度之间的关系，探讨了击穿电压下降法检测气体的敏感机理。 第四章讨论了利用场致电离传感器的击穿脉冲电流波形对单一气体的检测分析。论述了高压放电产生脉冲电流的机制，搭建了基于三轴操作台的测试装置，建立了超高频电信号测试平台。采用ZnO纳米棒阵列为阳极场致电离传感器，详细考察了过电压、间隙间距和少量杂质气体对脉冲放电频率和放电电流波形的影响。用击穿脉冲电流波形测试方法成功实现对氦气、氩气和氮气的定性测试分析。 第五章首先讨论利用碳纳米管为阳极的场电离传感器对乙酸的敏感响应。实验比较了场电离传感器对空气中乙醇、丙酮、水蒸汽和乙酸的灵敏度，并结合各种气体分子的自身特性找出了灵敏度不同的原因。详细探讨了空气中湿度对乙酸测试的影响，提出了解决湿度干扰的方法。其次，详细研究了场致电离传感器对空气中湿度的敏感响应。阐明了暗电流法检测湿度的敏感机理，理论分析了暗电流与湿度的数值关系。并考察了场致电离传感器对湿度的响应时间和恢复时间。最后，分别在正电压和负电压下，考察碳纳米管场致电离传感器对氨气敏感响应。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章碳纳米管和氧化锌纳米棒阵列的制备及结构表征

第三章场致电离传感器及其检测方法的研究

第四章基于击穿脉冲电流波形的场致电离传感器敏感特性研究

第五章基于暗电流法场致电离传感器对气体的敏感测试研究

结论与展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢