ZnN納米材料的制備及其丙酮氣敏特性研究.pdf

1、半導體金屬氧化物氣體的傳感器因檢測方便、便攜性好、制作簡單、價格低廉等優(yōu)點而被廣泛研究。但是也存在著半導體類的氣體傳感器的靈敏度較低，選擇性較差以及穩(wěn)定性不好等問題，因此改善上述不足是現(xiàn)在半導體氣體傳感器主要的研究內(nèi)容。同時氣敏材料本身的微觀結(jié)構(gòu)、摻雜劑的種類與摻雜的濃度對傳感器的敏感特性的好壞存在非常重要的影響。
　　本文選用簡單、高效的水熱合成方法和靜電紡絲方法制備不同結(jié)構(gòu)的ZnO納米材料;并對材料進行了TG-DTA、XRD和

2、SEM等表征分析。再以ZnO材料為基本對其進行不同濃度釔(yttrium)元素的摻雜，并將上述材料制作成了旁熱式氣敏元件并測試其對幾種揮發(fā)性有機化合物(VOC)氣體特別是丙酮的氣敏特性。研究摻雜劑以及不同比例摻雜對ZnO氣敏特性的影響，最后進行了ZnO基傳感器氣敏機理的分析。文章最后還研究了TiO2納米纖維同ZnO納米纖維在不同的摩爾比復合時氣敏元件的氣敏特性。
　　本論文的主要研究內(nèi)容包括以下三個部分:
　　第一部分采用水

3、熱合成方法制備了氧化鋅(ZnO)和不同摩爾比釔(yttrium)元素摻雜的氧化鋅，摻雜濃度分別為1％，3％，7％。X射線衍射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDX)表征結(jié)果表明，不同摩爾比釔(Y)摻雜的ZnO均為六方晶系纖鋅礦型結(jié)構(gòu)。未摻雜的ZnO形貌呈花狀。隨著釔摻雜量的增多，摻雜釔的ZnO呈不規(guī)則的柱狀，且釔元素摻雜量越大，其柱狀氧化鋅的直徑越大。測試了不同摩爾比釔摻雜的ZnO氣敏元件對丙酮氣體的敏感特性。結(jié)果表

4、明，摻雜1 at％Y的ZnO氣敏元件對丙酮氣體有良好的敏感特性，其最佳工作溫度為400℃;對100ppm丙酮的響應值為33.2，響應恢復時間分別為30 s和90 s。該氣敏元件對丙酮的響應明顯高于對相同濃度的氨氣，苯，甲苯，甲醛，甲醇的響應，表現(xiàn)出良好的選擇性。最后對釔摻雜的ZnO氣敏元件的氣敏機理進行了初步分析。
　　第二部分采用靜電紡絲法制備了釔(Y)摻雜的氧化鋅(ZnO)，然后在不同的溫度下煅燒制得了釔摻雜的ZnO納米纖維。

5、根據(jù)熱重差熱分析(TG/DTA)、傅立葉變換紅外光譜分析(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDX)表征結(jié)果，綜合考慮選擇500℃為材料的退火溫度，500℃時ZnO的晶相已經(jīng)形成，粒徑約為50 nm，且納米纖維呈介孔結(jié)構(gòu)。測試不同摩爾釔摻雜的ZnO納米纖維氣敏元件的對丙酮氣體的敏感特性。結(jié)果表明500℃燒結(jié)的釔元素以3％摩爾比摻雜的ZnO納米纖維氣敏元件在工作溫度為400℃時對丙酮的氣敏特性最佳。

6、400℃時ZnO元件對10ppm、50 ppm、100ppm、200ppm和500ppm的丙酮的響應值分別為5.3、22.8、59、79.2和140。響應時間分別為35s、25s、11s、14s、和41s。相應的恢復時間分別為40s、34s、54s、70s、和100s。最后對不同摩爾比釔摻雜的ZnO納米纖維氣敏元件的氣敏機理進行了初步分析。
　　第三部分采用靜電紡絲方法分別合成ZnO和TiO2納米纖維，對材料進行了XRD、SEM及