基于有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的氣體傳感器研究.pdf

1、作為傳感器領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，氣體傳感器在人們的生產(chǎn)和生活中扮演著極其重要的角色，研制高性能氣體傳感器具有重要的科學(xué)和實(shí)際意義。傳感材料的種類和形貌直接決定了氣體傳感器的靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等重要參數(shù)。有機(jī)半導(dǎo)體是一類具有共軛分子結(jié)構(gòu)的化合物，它的電導(dǎo)率可以通過氧化/還原、摻雜/脫摻雜以及化學(xué)修飾等過程在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，是構(gòu)筑氣體傳感器的理想材料。本論文以有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)為傳感材料，構(gòu)筑了一系列用于檢測(cè)不同氣體的高性能氣體傳感

2、器。主要內(nèi)容如下：
　　1.針對(duì)傳感器性能靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)配氣誤差較大、無法真實(shí)反映傳感器動(dòng)態(tài)性能參數(shù)等缺點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)了一套動(dòng)態(tài)性能測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)由配氣系統(tǒng)、測(cè)試腔體以及電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)三部分組成。配氣系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)配氣方式，通過三個(gè)流量計(jì)分別控制被測(cè)氣體與載氣的流量，使目標(biāo)氣體的濃度在大范圍內(nèi)連續(xù)精確可調(diào)；同時(shí)在配氣系統(tǒng)中加入了鼓泡裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體蒸汽樣品的測(cè)試，根據(jù)液體飽和蒸汽壓和載氣流速可以方便地計(jì)算出蒸汽的濃度。設(shè)計(jì)了兩套分別用于

3、常溫和高溫測(cè)試的腔體，通過縮小腔體體積加快氣體交換速度，最大程度地反映傳感器的真實(shí)響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；根據(jù)不同的測(cè)試腔體分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的可拔插測(cè)試底座，簡(jiǎn)化了傳感器的安裝和測(cè)試流程。
　　2.將稀溶液聚合法與光刻技術(shù)相結(jié)合，在柔性PET基底上制備了圖案化聚苯胺納米線陣列，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物納米材料微觀有序與宏觀有序的高度統(tǒng)一。詳細(xì)研究了基底材料對(duì)生長(zhǎng)和溶脫過程的影響，通過掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡等表征，我們發(fā)現(xiàn)所制備的圖案邊緣清晰銳利，

4、納米線垂直于基底生長(zhǎng)形成有序的陣列結(jié)構(gòu)，其直徑約為50nm，高度為300nm左右。以不同寬度的線條狀納米線陣列為活性材料構(gòu)筑了氨氣傳感器，發(fā)現(xiàn)傳感器的靈敏度隨著線寬的縮小而增大，證明活性材料的比表面積大小直接決定了氣體傳感器的靈敏度。進(jìn)一步，我們以寬度為10μm的線條構(gòu)筑了氫氣傳感器，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，具有高比表面積的納米線有序陣列提供了大量的活性吸附位點(diǎn)，使得氫氣傳感器具有了較高的靈敏度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，與文獻(xiàn)報(bào)道的聚苯胺膜相比，其檢測(cè)

5、限下降了大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了100ppm以下。
　　3.將手性誘導(dǎo)與自組裝技術(shù)相結(jié)合，成功制備了長(zhǎng)度在20μm以上、具有清晰螺旋并且分散性較好的手性聚苯胺微米纖維。通過光譜和結(jié)構(gòu)表征證明該微米纖維是由更細(xì)小的納米纖維纏繞而成的，并且微米纖維與納米纖維具有相同的分子堆積方式，其中π-π堆積沿著螺旋納米纖維長(zhǎng)軸的方向，聚苯胺分子平面垂直于長(zhǎng)軸方向。隨后我們以單根螺旋微米纖維為活性材料構(gòu)筑了手性氣體傳感器，并對(duì)氨基己烷手性對(duì)映體及其外

6、消旋體進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于螺旋聚苯胺纖維具有特殊的手性結(jié)構(gòu)，它在與不同手性的氨基己烷作用時(shí)響應(yīng)靈敏度會(huì)出現(xiàn)明顯差異—左旋纖維對(duì)S-(+)-氨基己烷更靈敏，而右旋纖維則對(duì)R-(-)-氨基己烷更靈敏，并且這種靈敏度差異隨著濃度增加越來越顯著。因此基于聚苯胺螺旋纖維的手性氣體傳感器提供了一種新型的手性識(shí)別途徑，這種方法克服了傳統(tǒng)手性識(shí)別手段（如色譜法）不能進(jìn)行在線檢測(cè)的缺點(diǎn)。
　　4.研究了n型小分子材料苝酰亞胺衍生物苝灣和側(cè)鏈位置上吸

7、電子取代基對(duì)其氣敏性質(zhì)的影響。首先我們以PTCDI-C12、PTCDI-Br2C12以及PTCDI-CN2C12的一維微米/納米結(jié)構(gòu)單晶為活性材料構(gòu)建了氣體傳感器，通過研究它們對(duì)濃度為1％的氨氣的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，處于苝灣位置的強(qiáng)吸電子取代基CN可以極大地提高整個(gè)大π共軛體系的吸電子能力，從而增強(qiáng)了苝酰亞胺衍生物對(duì)弱還原性氣體的檢測(cè)能力，同時(shí)苝核上強(qiáng)吸電子基團(tuán)的存在也提高了苝酰亞胺衍生物在空氣中的穩(wěn)定性。隨后我們研究了PTCDI-Cl4C12和