基于碳纳米管气敏传感器的理论研究

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1、薦，学号：Ｍ０５０１１３１０６‘－＇。沪．＇ｆ７識ＡＫｐａ；’畔。＾硕ｄｔ学位论文＾ＭａｓｔｅｒｓＴｈｅｓｉｓ，麵ｍ‘Ｉ＂■■Ｉ基于碳纳米管气敏传感器ｉｔＸ＆Ｓ的纖研究专业作者姓名＾指导教师＾完成日期２０１５年１２月＇邏＇＂．：－；．．．，；ｖ；中图分类号：O469学校代码：10856学号：M050113106上海工程技术大学硕士学位论文基于碳纳米管气敏传感器的理论研究作者姓名：康文彪指导教师：吴建宝专业：材料物理与化学学院：材料工程申请学位：工学硕士完成时间：2015年12

2、月评阅人：薛绍林张朝民答辩委员会主席：薛绍林成员：陈广龙平云霞张修丽张朝民UniversityCode：10856StudentID:M050113106THEORETICALSTUDYOFTHEGASSENSORBASEDONCARBONNANOTUBESCandidate:WenBiaoKangSupervisor:JianBaoWuMajor:MaterialsPhysicsandChemistrySchoolofmaterialengineeringShanghaiUniversityofEngineeringScienceShanghai,P.R.ChinaDecember,20

3、15上海工程技术大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所递交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进巧研究Ｊ：作所取得的成果。陈文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研巧做出重要贡献的个人和集体，均己在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：曰期：養年弓月／／曰上海工程技术大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留，、使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海工程技术

4、大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。，在保密□＿年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密＂＂（请在＾＾１上方框内打Ｖ）学位论文作者签名、：池鄉指导教师签名：才主Ｉ日期：以７／／年３月八日日期：年与月／巧基于碳纳米管气敏传感器的理论研究摘要自碳纳米管被发现以来，其优良的力学、电学、磁学、光学及抗腐蚀等性质，迅速引起了科学界的极大关注，并激发了科学工作者的研究兴趣。碳纳米管具有很高的比表面积且表面有很多悬挂键，这就使得其对气体有很强的吸附性能。气体吸附在碳纳米管上后，大都会和碳纳

5、米管之间发生电荷转移，这就导致碳纳米管费米能级发生变化，进而影响碳纳米管的电导率。气体吸附前后碳纳米管电导率的变化可以用来检测气体，因此碳纳米管在气敏传感器领域有着很好的应用前景。碳纳米管对不同气体具有不同响应且对同一气体不同浓度也有不同响应，这就使得碳纳米管气敏传感器不仅可以检测气体的种类还可以检测气体的浓度。研究表明，与传统的气敏传感器相比，碳纳米管气敏传感器具有响应速度快、恢复时间短、灵敏度高、可重复使用等优点。然而，纯净的碳纳米管只对氢气和氧气等很少的气体有很高的敏感性，对CO、NO等有毒气体并没有很好的响应，这就限制了纯净碳纳米管气敏传感器的发展。为了增加碳纳米管气敏传感器对这些

6、有毒气体的气敏性，我们需要通过掺杂、修饰等手段对纯净的碳纳米管进改性处理。在纯净碳纳米管的研究基础上，本论文研究了硼、氮原子线掺杂对碳纳米管性质的影响。以其中的一种构型为例，我们研究了Cl2、NO、CO、H2等气体吸附在硼、氮原子线掺杂的碳纳米管上的情况，并计算分析了气体吸附对掺杂体系的电子结构的影响。这就为硼、氮原子线掺杂碳纳米管在气敏传感器的应用上提供了理论依据。具体研究内容如下：（1）首先，我们计算了H2吸附在（6,0）、（4,2）、（6,6）三种手性的纯净碳纳米管六元环的点位、桥位、空心位时体系的总能量。结果发现，无论是哪种手性的碳纳米管，其能量都是点位最低。能量越低体系越稳定，所

7、以对于纯净的碳纳米管来说，H2吸附在碳纳米管点位最稳定。接着我们又计算了这三种纯净碳纳米管吸附H2前后的电导、I-V曲线，并分析纳米管手性的改变对于气体吸附所产生的影响。（2）其次，针对纯净碳纳米管对气体响应的局限性，本论文重点研究了硼、氮原子线掺杂的碳纳米管。我们分别选取了（5,5）扶手椅型碳纳米管和（8,0）锯齿形I（3）碳纳米管作为硼、氮原子线掺杂的对象。将硼、氮原子六元环掺杂看做特殊的首尾闭合的线掺杂，再考虑扶手