zno基纳米棒阵列气敏材料合成与性能

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1、第一蕈绪论1．3．2．3溶液法溶液法是制备一维ZnO纳米材料的一种常用的方法，溶液法制备纳米材料方法简单，成本较低，适合大批量生产，生长条件不苛刻，对于很复杂的材料都可以获得化学均匀性较高的一维纳米结构。目前，两步化学溶液法在制备有序ZnO纳米棒阵列结构上得到了广泛的应用，所谓的两步化学溶液法【45】是指先制备出一层ZnO的种子膜(颗粒)，然后外延生长出ZnO纳米棒。Wang[46】等研究了种子膜溶胶的浓度、种子膜的厚度和旋涂时间对ZnO纳米线阵列的密度和取向的影响。最近，Wangl47,48]等报导了一种在不需要种子膜的情况下制备ZnO纳米棒阵列的方法，

2、获得了棒大小为100—300nm，分别垂直和平行于基体的纳米棒，如图1．3所示。图1．3垂直和水平生长的ZnO纳米棒阵列Fig．1-3VerticalandHorizontalZnOnanowiresarray1．3．2．3模板法模板法易于实现对纳米材料的组成、结构、形貌、尺寸、取向和排布等的控制，是一维纳米材料常用的合成方法。模板法以氧化铝(anodizedaluminumoxide，AAO)模板最为常用，在特定的直流电压下，在酸性溶液中采用两步刻蚀法可制作AAO模板，可制得具有高度有序的纳米孔阵列，再通过物理、化学或电化学的方法把物质沉积在纳米孔中，制

3、备出高度有序的纳米阵列结构。Hart锄to【49】等采用AAO模板制备出了ZnO纳米线；Cheng[50】等报道了一种简单两步法制备ZnO纳米孔阵列的方法，先利用氧化铝模板法通过电化学沉积制备出Zn纳米点阵列，再制各出了Zn和ZnO纳米孔阵列。第一章绪论图1-4盈(a)和ZnO(b)纳米管阵列Fig．1_4窈(a)andZnO(协nanotubesarray1．3．3ZnO气体传感器研究现状ZnO是表面电阻控制型n型半导体材料，是最早用来制备半导体气敏元件的材料之一，因其易于制备，成本低廉，性能稳定等优点，一直受到人们的关注与重视【5M‘丌。纯组分ZnO纳

4、米气敏材料制作的气体传感器件存在灵敏度较低、稳定性较差、响应速度慢等问题，难以满足制备高性能传感器的要求，通常要进行适当的掺杂和表面处理来改善其性能，金属离子掺杂与贵金属敏化是发展高性能新材料和对现有材料的性能改善的有效的途径。1．3．3．1离子掺杂一般认为，金属离子掺杂的作用主要是可引起半导体材料能隙的变化，使得半导体材料的电学性能发生改变而改善材料的气敏性能【581，因此，离子掺杂广泛用于ZnO传感器的掺杂改性中【59‘611。Sahay等【621利用喷雾热解法制备了掺铝ZnO薄膜，并研究了掺杂浓度对液化石油气(LPG)气敏性的影响，实验发现ZnO：A

5、1薄膜对O．5v01％(5000ppm)LPG的响应为80％，而纯ZnO在相同条件下为20％；Chela等【63】采用共沉淀法制备了掺镓ZnO粉末，并研究了ZnO和ZnO：Ga对甲醛的气敏性能，研究发现在相同条件下，ZnO：Ga对甲醛显示出较好的气敏性能。薛等【删通过可溶性无机盐法(ISG)法制备了Al”掺杂ZnO纳米材料并用该材料制各气敏元件，测试了Al”掺杂ZnO纳米材料对乙醇和氢气的气敏性能。结果表明随着气体浓度的增加，灵敏度逐渐上升；随着A13+含量的减少，材料气敏性逐渐增强。根据高价离子导电性机理【61’62】，高价离子A13+掺入ZnO半导体后

6、形成施主中心，反应式如下：A12032Alzn+2ZnO+圭02+2e-2(1-7)第一章绪论A13+占据Zn2+的位置后，电离失去一个电子形成AlZlI，被A13+取代的锌与氧结合成ZnO。由反应式可以看出，Al”离子的掺杂在半导体表面形成了更多的电子，有利于吸附更多的气体分子，显示更明显的气敏特性。一些研究组发现，通过施加某种外加条件能有效地改善掺杂传感器的气敏性能。Zhang等【65】通过平板印刷技术制备Ni掺杂四脚状ZnO粉末，通过外加磁场实现了对甲醛气体的探测；Wang等惭】采用溶胶．凝胶法制备了铜掺杂ZnO，通过紫外线辅助的方法研究了铜掺杂Zn

7、O对乙醇和丙酮的气敏性能，研究发现该传感器能在室温下乙醇和丙酮气体。1．3．3．2贵金属表面敏化～般认为，掺杂贵金属后，通过在表面吸附或结合具有高催化活性中心的元素，可以提高气体吸附作用及加快反应速度，有利于载流子的释放、传输及注入输运过程，从而改进元件的性能。目前，贵金属表面敏化研究主要集中在Au、Pd、Pt等。Chang等【67J用光刻一催化生长法在ZnO：Ga基体上制备出了ZnO纳米线，并测试了对乙醇的气敏性能，在230℃下，乙醇浓度为500ppm时，纯ZnO纳米线的响应少于40％，在相同条件下掺入贵金属Pd的ZnO纳米线，对乙醇响应高于60％，提高

8、了ZnO对乙醇的气敏性能；Huang等【68】报导了Au修饰ZnO