退火时间和前驱液种类对zno纳米棒形貌和气敏特性的优化

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1、摘要ZnO作为一种新型的半导体材料，它的直接带隙是3.37ev，激子束缚能是60mev，其较宽的带隙便于我们实现离子掺杂。其次，ZnO成本非常低廉且具有环境友好和生物兼容的特性，使得ZnO在很多方面都有广泛的应用，比如太阳能电池，紫光探测器，透明电极，传感器等等。到目前为止，已经有很多合成手段和改性技术制备出不同尺寸和形貌的ZnO微纳米材料。而不同的形貌尺寸又在一定程度上影响着ZnO基传感器的应用，所以本论文以醋酸锌、氨水为原料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为表面活性剂，乙醇和水为溶剂，按照一定的摩尔比制备出溶液，然后在退火炉中以500°C退火1

2、.5h，制备出介观结构下的ZnO纳米棒。制备出的纳米棒作为本论文的第一部分工作，也是本论文开展工作的基础，以制备出的纳米棒为基础，通过改变退火时间和前驱液种类优化ZnO形貌，并且研究了不同形貌的气敏特性，分析了实验数据，重点分析了形貌对提高气敏特性的原因，并运用理论观点印证了实验数据的合理性。主要的研究工作内容和结果如下：1.使用简单的溶液煅烧法制备出介观下棒长约为1μm，直径约为90nm的ZnO一维纳米棒，并用X射线衍射谱（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射扫描电镜（TEM）等技术手段对制备的样品进行了形貌和结构的分析。结果表明，所制

3、备的样品是ZnO六角纤锌矿结构，形貌是典型的1D纳米棒，晶格间距是0.259nm，对应于（100）晶面。在纳米棒的生长过程中，氨水和PVP起了关键的作用；基于这种介观结构的传感器在最佳温度为420°C下对丙酮探测表现出了良好的气敏特性。对低浓度的丙酮有较快的响应和较大的敏感度，这一点使得在丙酮传感器中有良好的应用。2.在1DZnO纳米棒的基础上，通过改变退火时间，制备出退火时间为1.5h，2.0h和2.5h的三种样品，样品形貌分别为一维纳米棒，三维纳米花和杂乱无章的毛线团状的ZnO纳米结构。对这3个样品经过对气敏的敏感度、选择性、工作温度的测

4、试，结果发现，退火时间为2.0h的ZnO纳米花状的材料对乙醇的气敏特性最好，降低了最佳工作温度（T=360°C），响应恢复时间最短（9s/12s）,而且对乙醇具有良好的选择性；这一系列优异的乙醇气敏特性归结于3D多层结构提供了更多的活性点，使得气体与吸附氧发生反应的速率增大，同时，也是因为3D多层结构的比表面积最大，经过BET测试，纳米花的比表面积是35.66m2/g,而纳米棒和毛线团的纳米结构的比表面积分别是20.19和4.31m2/g。I万方数据3.在一维纳米棒的基础上，将原料醋酸锌替换成硝酸锌（Zn(NO3)2·6H2O），将一维纳米棒

5、形貌优化成多孔的蜂窝状形貌，样品呈现的是大量不规则的颗粒堆积而成的一层层带有孔洞的蜂窝状形貌，这种多孔形貌有利于气体的吸附和解附，在对冰乙酸的测试中，在370°C下，发现基于这种形貌的传感器响应高、快，响应恢复时间为14s和9s；而且选择性、稳定性和重复性较好，可以用来作为探测冰乙酸的良好材料。另外，气敏特性的提高归结于多孔的形貌提供了更多的活性点和气体扩散通道，增加了样品的比表面积。关键词：ZnO纳米棒，溶液煅烧法，形貌优化，气敏特性，比表面积II万方数据AbstractZnOisanew-typesemiconductorwiththed

6、irectbandgapof3.37evandtheexcitingbindingenergyof60mevsothatitiseasytobeadopted.Further,itischeap,enviromentallyfriendlyandbiocompatible,whichleadsthatZnOhasmanywidelyapplicationsuchassolar-cells,purplelightdetector,transparentelectrode,gassensorsandsoon.Assofar,therehasbee

7、nmanymethodsandmodifiedtechniquetofabricatediverseZnOnanostructurewithdifferentsizeandshape.Further,differentmorphologyaffectstheapplicationoftheZnOgassensor.Inthispaper,weusedzincacete(Zn(CH3COO)2·2H2O)andammoniawaterasrawmaterial,polyvinylpyrrolidone(PVP)assurfactant,etha

8、nolanddeionizedwaterassolvent,thenaccrodingtothecertainmoleratio,thepreparedsoluti