基于p-n、n-n异质结构纳米复合物的合成及其低温下NO2气敏性能研究

摘要

人类自进入现代工业快速发展的时代以来，对不可再生的化石燃料的消耗日益增强但对后续产生的一些有毒有害气体处理工艺却仍显落后，随之而产生的，便是越来越严重的大气污染问题以及人员中毒问题。有毒有害气体特别是NOx对人类的危害极大，既能产生光化学烟雾、酸雨，也会直接造成人类中毒。
　　本文通过高温短时水热制备n型半导体WO3纳米颗粒，然后通过原位氧化聚合法将噻吩单体聚合成p型半导体聚噻吩(PTP)包覆在WO3纳米颗粒表面，最终在较短合成时间内制备出不同组分PTP-WO3杂化物以形成p-n异质结。同时杂化物中由于从S元素到W元素出现电子转移形成了新的较强的相互作用化学键（Sδ+-W5+），进而提高了聚噻吩的热稳定性，这从热重分析也可以看出。将所得杂化物制成气敏元件运用于室温条件下有毒气体NO2的气敏检测，发现40％PTP-WO3组成杂化物对10 ppm浓度NO2灵敏度达到48.2，这是聚噻吩灵敏度的约3.5倍;通过响应速率及线性关系得到40％PTP-WO3杂化物检测极限能够达到450 ppb。这些气敏性能的改进提高，我们归因于新化学键的作用以及p-n结的形成，并且通过SEM、BET、FTIR、XPS、TG等表征手段得到印证。
　　为了在较低操作温度下检测低浓度(≤1 ppm) NO2，本论文还通过改进的Stober法合成SiO2模板并利用模板制备出直径600 nm左右的单分散SnO2及ZnO-SnO2复合物空心球结构。将材料制成气敏元件进行气敏测定发现，SnO2及ZnO-SnO2复合物对NO2均有很好地响应度，且ZnO-SnO2复合物较之SnO2有很大提高，其中ZnSn-1（Zn/Sn摩尔比实际为11.7 at％）复合物气敏最好，比SnO2灵敏度提高四倍达到81且有较好的选择性。把气敏性能的提高归功于复合过程中氧空位增加以及复合界面形成n-n异质结，并通过一系列表征加以佐证。
　　在实验过程中，在研究异质结气敏性能的同时，还探究了新型气敏元件的制备和运用。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)作为柔性导电薄膜的一种，能够很好地的作为底板承载气敏检测材料制备气敏元件。材料廉价易得，可以为模块化易替换气敏元件的制备提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 异质结半导体纳米材料

1．2．1 纳米结构半导体

1．2．2 纳米结构半导体分类

1．2．3 几种常见n／p型半导体

1．2．4 异质结

1．3 异质结半导体纳米材料的合成

1．3．1 水热／溶剂热法

1．3．2 溶胶凝胶法(Sol-gel)

1．3．3 静电纺丝法

1．3．4 气相沉积法(PVD／CVD)

1．3．5 超声化学合成法

1．3．6 液相／分子束外延技术

1．4 异质结半导体纳米材料的应用

1．4．1 气敏检测传感器

1．4．2 光催化剂

1．4．3 可充电电池应用

1．4．4 发光二极管

1．4．5 半导体异质结激光器

1．5 异质结提高半导体气敏性能机理

1．5．1 n／p型半导体的气敏检测机理

1．5．2 p-n结提高气敏机理

1．5．3 n-n结提高气敏机理

1．6 本论文选题意义及研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原材料和试剂

2．2 表征仪器

2．3 气敏性能测试

2．3．1 动态气敏测试

2．3．2 静态气敏测试

第三章 PTP-WO3 p-n异质结杂化物的制备和室温下对二氧化氮气敏性能研究

3．1 引言

3．2 PTP-WO3杂化物的制备

3．2．1 快速水热法制备三氧化钨纳米颗粒

3．2．2 合成PTP-WO3杂化物

3．2．3 气敏元件的制备

3．3 结构表征

3．4 PTP-WO3杂化物气敏性能

3．4．1 气敏影响因素

3．4．2 测试气敏暂态数据，检测极限和选择性

3．4．3 气敏机理

3．5 本章小结

第四章 ZnO-SnO2 n-n异质结复合物的制备及其在低温下对低浓度NO2气敏性能的研究

4．1 引言

4．2 ZnO-SnO2空心球的制备

4．2．1 ZnO-SnO2空心球方案

4．2．2 合成形貌调节

4．3 ZnO-SnO2结构和形貌

4．4 ZnO-SnO2空心球复合物的气敏性能

4．4．1 操作温度，气体浓度及ZnO复合量对气敏性能影响

4．4．2 暂态数据，响应恢复时间及选择性

4．4．3 气敏机理分析

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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