氧化鋅微米線酒精氣體傳感器研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料，室溫下直接帶隙寬度為3.37eV，并具有較大的激子束縛能(60meV)，在光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)ZnO還具備其他優(yōu)異的性質(zhì)，比如化學(xué)及熱穩(wěn)定性較好、電子遷移率較高、光敏感性以及氣體敏感性較高等特點(diǎn)，是迄今應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體敏感材料之一。目前，多種ZnO微納結(jié)構(gòu)氣敏器件被研制出來，其中一維ZnO微米線器件因其較高的比表面積和表面活性等獨(dú)特的性質(zhì)，成為氣敏領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。然而，通

2、常基于ZnO材料的氣敏傳感器存在著耗能較高，恢復(fù)時(shí)間較長等缺點(diǎn)，影響了其進(jìn)一步的推廣使用。
　　本論文圍繞一維ZnO微米線的可控生長、ZnO微米線氣體傳感器的制備、性能和氣敏機(jī)理分析等相關(guān)問題，展開了一系列的研究工作，主要內(nèi)容包括以下幾部分:
　　(1)通過調(diào)控實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長表面光滑、線徑均勻可控、c軸取向性好的標(biāo)準(zhǔn)六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO微米線(ZnO HMW);利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射

3、電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)和光致發(fā)光譜(PL)等表征手段對其形貌、結(jié)構(gòu)、成分及發(fā)光特性等進(jìn)行測試分析。
　　(2)將單根ZnO微米線固定在載玻片上制成酒精氣體傳感器件。通過測量電信號，得到室溫下氣敏器件的傳感響應(yīng)、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間、重復(fù)性、靈敏度、穩(wěn)定性以及選擇性等重要?dú)饷魠?shù)，并重點(diǎn)研究了ZnO微米線在室溫下的酒精氣敏反應(yīng)機(jī)理。
　　(3)通過在反應(yīng)源中加大石墨粉末比例，利用CVD方法生長出曲邊ZnO微米線(

4、ZnOCMW)，其橫截面為曲邊六邊形，線徑可控。分析表明，ZnO CMW是由反應(yīng)源中石墨粉比例增加，成核過快引起微米線徑向方向的非線性生長導(dǎo)致的。由于ZnO CMW的比表面積比同樣線徑的ZnO HMW的大，并且特殊的表面形貌使其載流子密度增大。這些變化使ZnOCMW氣敏器件在傳感響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間等酒精傳感性能方面都有相應(yīng)提高。
　　(4)利用離子濺射法對制備的ZnO微米線進(jìn)行Au納米粒子修飾，得到表面改性的Au/ZnO微米線(Au/

5、ZnO MW)。改性后的Au/ZnO微米線的酒精氣敏性能得到了全面改善，尤其是在恢復(fù)時(shí)間以及靈敏度方面有著較大的提高，可以快速測量低濃度酒精氣體，在酒精快速檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。分析表明，通過自然光照射，Au納米粒子在ZnO微米線表面產(chǎn)生等離子共振效應(yīng)，提高了ZnO微米線的電導(dǎo)率。并且Au納米粒子作為活性中心，能夠加速H原子反溢流速度，加快酒精分子的解吸附過程。同時(shí)Au納米粒子層會降低ZnO微米線的表面光滑程度，從而也有利于提高器