电子聚合物气、湿敏特性及机理研究

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1、电子科技大学博士学位论文电子聚合物气、湿敏特性及机理研究姓名：蒋亚东申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：杨邦朝;杨大本2001.4.1电子聚合物气、湿敏特性及机理研究摘要本文对“电子聚合物及器件”这一国际上十分活跃的新兴研究领域中“电子聚合物气、湿敏特性及机理”进行了研究／重点对电子聚合物氮系氢、氧化气体(NH，、N0，)敏和非线性湿敏开关特性方面进行了大量的研究。研究了电子聚合物敏感材料、结构与特性、传感器制作中的有关基础问题和关键技术，}本研究工作的主要贡献和研究成果：1．分析了聚合物基复合导电材料的导电机理，在理论上

2、从聚合物的溶胀效应出发，阐明了聚合物基复合材料的气敏效应以及聚合物基复合材料的气敏效应与聚合物的溶胀效应的关系，并首次对聚合物基复合敏感材料的特点及原则和界面设计原理进行了分析阐述；从广义有效介质方程出发，对聚合物基复合气(湿)敏材料与复合体系中组成参数的关系进行了分析与优化设计，得出以下重要结论：(1)聚合物气、湿敏材料首先应取决于聚合物基体材料，不同性质的气体(或湿度)应选择不同类型的聚合物材料；(2)复合材料的气敏(湿敏)特性与导电相的体积含量有着密切的关系，在聚合物基体材料确定的情况下，导电相的含量在渗流阀值右侧附近存在一个决

3、定气敏(或湿敏)特性的最佳值中。，复合材料电阻率的相对变化量在这一点达到最大值，当导电相含量处于中。附近一个很窄的范围内时，复合气敏(湿敏)材料具有较好的敏感特性。)2．本文首次从吡咯单体的化学氧化聚合的微观动力学出发，推导了吡咯化学氧化聚合(在具体条件下)的宏观动力学方程。f通过对聚吡咯亚微米薄膜的实验研究，首次研制出了聚吡咯亚微米氨敏薄膜。研究结果表明：聚毗咯化学氧化聚合动力学方程的理论与实验结果有很好的拟合性，说明本文提出的吡咯单体的氧化聚合机制、微观动力学过程及宏观动力学方程具有合理性和适用性。研制出的聚吡咯亚微米薄膜的氨敏特

4、性为：浓度检测范围0～50ppm，工作温度-10～+60"C，响应时问T，≤1min，薄膜厚度0．01～1um。同时运用了半导体原理和界面吸附理论对其敏感机理进行了研究。＼3．本文采用化学氧化聚合和电化学聚合法合成了研制二氧化氮(No，)聚苯胺自组装超薄膜所需的部分原材料，并采用了红外及紫外可见光谱法对合成的材料进行了分析与表征。(根据聚苯胺超薄膜特有的性质，首次采用掺杂诱导沉积法研制了聚苯胺自组装超薄复合敏感膜，传感功能结构设计为基片型叉指电子科技大学博士学位论文式超薄膜。其二氧化氮(No：)敏感特性：气体浓度检测范围1-100pp

5、m；响应时间一，≤30Sec．，并对其敏感机理进行了分析研究。：4．首次研究了电子聚合物为基的非线性湿敏材料：包括羧甲基纤维素基敏感聚合物材料，复合感湿膜及原理和相应工艺、处理控制技术。悴先研究了非线性湿敏传感器的器件结构，确定了电极为叉指电极，器件结构为基片式电阻型复合膜器件结构，以及相应的工艺和处理制备技术。该传感器首次实现了在高湿度(80～100％Pa-I)范围内，突变开关点可调；主要技术指标：使用范围：0-100％RH；检测范围：80～100％RH；湿阻变化范围：RH<75％RH，R<20KQ；I出>80％RH，R>100KQ

6、；响应时间：T，一<5Sec。确定了非线性湿敏传感器开关特性好、快响应、湿滞小、工作温度范围宽、稳定性好、耐污染、无需加热器等特点的非线性开关综合湿敏特性。同时将宏观非线性湿敏特性与微观结构相结合，运用了半导体原理对其敏感机理进行了研究，并建立了相应的数学物理模型和进行了计算机模拟，得到了较好的结果。。关键词电子聚合物复合材料气敏材料湿敏材料传感器电子聚合物气、湿敏特性及机理研究ABSTRACTGasandhumiditysensingpropertiesandmechanismofelectronicpolymerarestudie

7、dinthispaper,whichisanactivefield．Especially,agreatdealinvestigationhavebeendoneonNH3andN02gassensingpropertiesandnonlinearhumidityswitcheffect，includingsomerelatedbasisquestionsandtechnologykeysofelectronicpolymersensitivematerials，structureandproperties，sensorpreparat

8、ion．Themainresearchworkareasfollows：1．Themechanismofpolymerbasedconductivecompositeisanalyzed．Accordingswellin