二氧化钒-氧化锌异质多级复合结构的制备及其气敏性能研究

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1、二氧化钒/氧化锌异质多级复合结构的制备及其气敏性能研究Thepreparationandgas-sensingpropertiesofvanadiumdioxide/zincoxidehierarchicalhetero-structure学科专业：微电子学与固体电子学作者姓名：杨然指导教师：梁继然副教授天津大学微电子学院二零一七年十一月摘要随着现代经济的发展，我国的工业化水平不断提高，与人类生存发展息息相关的环境问题也日益突出，如今社会对能够实时有效监测易燃易爆、有毒害性气体以及大气污染物的高性能气敏传感器的需求更加迫切。气敏传感器种类繁多，其中金属氧化物半导体气敏

2、传感器因灵敏度高、器件结构简单以及制作成本低等优点得到广泛的研究和应用。金属氧化物半导体氧化锌（ZnO）是传统主流的气敏材料之一，ZnO基纳米结构传感器已经实现了对乙醇、丙酮、氨气等有毒有害气体快速有效的探测。但此类传感器普遍存在工作温度高、功耗大的问题，限制了其在很多领域的应用。二氧化钒（VO2）因具有独特的金属-绝缘体相变性能引起广泛关注。近年来的研究发现，VO2在室温探测有毒有害气体方面具有很大的潜力。但目前VO2基气敏传感器的灵敏度还有待提高。基于上述现状，本文提出一种VO2/ZnO异质多级复合结构，目的是结合两种材料的优点，实现室温下对有毒有害气体的有效探测

3、。本文主要从三个方面展开研究：首先，研究了水热工艺参数对VO2纳米结构形貌的影响，并研究最优工艺参数条件下对应的单纯VO2纳米结构传感器的室温气敏性能；接下来，分别研究ZnO生长时间和ZnO生长溶液浓度对VO2/ZnO异质多级复合结构的物相成分、微观形貌以及气敏性能的影响，讨论了相应的气体敏感机理。实验中采用XRD、SEM以及TEM等测试手段表征样品的结构成分、表面形貌，在实验室气敏测试平台进行传感器的气敏测试。研究结果表明，前驱物草酸的浓度为0.075mol/L，五氧化二钒的浓度为0.025mol/L，前驱物比例为3:1，水热时间为36h，水热温度为180℃时，可制

4、备出形貌均一且不含其他物相成分的B相VO2纳米棒。单纯VO2传感器在室温下呈现出p型半导体特性，对四种测试气体（丙酮、乙醇、氨气、二氧化氮）均有气敏响应，但响应值较低。所制备的VO2/ZnO异质多级复合结构呈现出树枝状形貌，ZnO生长时间为4h的复合结构传感器在室温下对丙酮的气敏响应最高，当气体浓度为100ppm时，响应值为4.51，响应时间为8s，恢复时间为18s。另外，当ZnO生长溶液浓度为0.01mol/L时，对应的复合结构传感器在室温下对氨气呈现出突出的选择性，且响应时间较短（2~5s）。关键词：二氧化钒，氧化锌，异质结，气敏传感器，室温IABSTRACTWi

5、ththedevelopmentofthemoderneconomy,theindustrializationinourcountryhasimprovedcontinuously.Theenvironmentalproblemscloselyrelatedtothesurvivalanddevelopmentofmankindarealsobecomingincreasinglyprominent.Nowadays,thedemandforhigh-performancegassensors,whichcaneffectivelymonitorthecontento

6、fflammable,explosive,poisonousgasesandairpollutantsinrealtime,ismoreurgentinoursociety.Therearevariousgassensors,amongthemmetaloxidesemiconductorgassensorshavebeenwidelystudiedandused,becauseoftheirhighsensitivity,simpledevicestructureandlowproductioncost.Themetaloxidesemiconductorzinco

7、xide(ZnO)isonekindofthetraditionalmainstreamgas-sensingmaterials.TheZnO-basednanostructuresensorshaveachievedtherapidandeffectivedetectionofpoisonousandnoxiousgases,suchasethanol,acetoneandammoniagas.However,suchsensorsgenerallyneedworkingonhightemperatureandhavehighpowerconsum