異質(zhì)結(jié)化學(xué)電阻型氣敏元件直接構(gòu)筑及其性能研究.pdf

1、金屬氧化物半導(dǎo)體電阻型氣敏傳感器具有制備簡(jiǎn)便、性能有效、材料廉價(jià)等特點(diǎn)，目前在氣體檢測(cè)工程領(lǐng)域中得到廣泛采用。但應(yīng)用過程中也存在缺陷，比如器件穩(wěn)定性不夠、最佳工作溫度過高、靈敏度不高等。一維納米結(jié)構(gòu)材料有較大的比表面積，顯現(xiàn)出較好的氣敏性能，并且能夠克服高溫下納米顆粒易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，已用于氣敏傳感器研發(fā)。根據(jù)電阻型氣敏傳感器基本工作原理，通過設(shè)計(jì)并構(gòu)筑納米尺度半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有望進(jìn)一步改善純相材料的氣敏性能。本文以ZnO、α-Fe2O3納

2、米棒為研究對(duì)象，在籽晶層誘導(dǎo)納米棒原位生長(zhǎng)及氣敏元件直接組裝技術(shù)基礎(chǔ)上，通過構(gòu)筑半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（包括PN結(jié)和NN結(jié)），來改善元件氣敏性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過引入籽晶層，利用水熱法在Al2O3陶瓷平板電極上直接生長(zhǎng)了N型ZnO納米棒陣列，進(jìn)而通過濕化學(xué)法在ZnO納米棒表面負(fù)載了P型CuO納米顆粒，構(gòu)筑了納米尺度的PN異質(zhì)結(jié)氣敏元件，發(fā)現(xiàn)CuO/ZnO異質(zhì)PN結(jié)納米棒在工作溫度是40℃時(shí)對(duì)50ppm三乙胺靈敏度可達(dá)到8，

3、約為純相ZnO納米棒的2～3倍，并且對(duì)三乙胺氣體具有優(yōu)良的選擇性。利用NiO/ZnO和Co3O4/ZnO異質(zhì)PN結(jié)納米棒氣敏傳感器進(jìn)一步驗(yàn)證了PN異質(zhì)結(jié)改善ZnO納米棒氣敏性能的作用機(jī)理。⑵提出了依據(jù)，利用德拜長(zhǎng)度調(diào)控PN異質(zhì)結(jié)中P型材料的厚度來進(jìn)一步改善N型納米棒的氣敏性能的策略。以α-Fe2O3@NiO(CuO)核殼納米棒為例，當(dāng)殼層厚度接近于材料的德拜長(zhǎng)度時(shí)，該納米棒氣敏元件表現(xiàn)出最好的氣敏性能，明顯高于純相的α-Fe2O3納米棒

4、。通過能帶結(jié)構(gòu)和理論計(jì)算，證實(shí)了德拜長(zhǎng)度調(diào)控P型氣敏材料的殼層厚度對(duì)改善α-Fe2O3多孔納米棒的氣敏性能的影響。⑶利用NN同型異質(zhì)結(jié)原理，設(shè)計(jì)構(gòu)筑了α-Fe2O3/ZnO核殼NN型納米棒，同樣改善了純相ZnO納米棒的氣敏性能。研究表明，在325℃的最佳測(cè)試工作溫度下，α-Fe2O3/ZnO納米棒對(duì)50 ppm三乙胺氣體的靈敏度為39，明顯高于純相的ZnO納米棒，并且對(duì)目標(biāo)氣體三乙胺具有良好選擇性?；诶碚撚?jì)算和能帶結(jié)構(gòu)模型，把PN異質(zhì)