ZnO基传感器的气敏和湿敏特性研究.pdf

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1、AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofDoctorGasandHumiditySensingPropertiesofSensorsbasedonZn0ByWenchuangWangSupervisor：Prof．XinjianLiCondensedMatterPhysicsDepartmentofPhysics，ZhengzhouUniversityApr,2014学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个

2、人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：形旦I斟日期：1夕力多年彭月馏日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门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；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时

3、，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：刁殳阁日凝：矽?0年毒窍

4、8日摘要自从1962年发现ZnO材料的电导率会随环境气氛发生变化以来，有关ZnO基气、湿敏传感器的研究就一直受到人们的关注。近年来，随着纳米科技与相关制备工艺的快速发展，ZnO基敏感材料的制备技术已臻成熟，如何提高传感器的敏感性能成为研究的重点。本文从纳米ZnO的结构与形貌控制、掺杂、复合和修饰出发，制备了几种ZnO基材料体系，并通过制作传感器原型器件，对其相应的湿度或气体敏感性能研究，分析了相关的敏感机理。论文取得了以下主要研究结果：1、多孔片层ZnO球的制备及其气敏性能研

5、究采用水热法制备了多孔片层ZnO球并对其形貌和结构进行了表征。通过制作电阻型原型器件，研究了其对乙醇气体的敏感性能。结果表明，该气敏元件的最佳工作温度为280oC。在此温度下，元件对2ppm乙醇的灵敏度达到2．8，响应和恢复时间分别为10和15S，且在2-500ppm乙醇气体浓度范围内的响应曲线具有很好的线性度。与目前商业ZnO粉末气敏元件相比，基于多孔片层ZnO球的气体传感器优势在于其具有更低的工作温度和更高的灵敏度。2、Zn掺杂Sn02多孔空心球的制备及其气敏性能研究以碳球为模板，采用直接沉淀法制备Zn掺杂Sn02多孔空心球，并对其形貌和结构进行了表征。通过制作电阻型原

6、型器件，研究了其对乙醇气体的敏感性能。结果表明，在240oC的工作温度下，该气敏元件对乙醇的响应值最大。对于2ppm、5ppm、10ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm和500ppm的乙醇气体，其响应值分别为：2．8、4．6、4．9、16、27．4、48．8、71．9和100，其响应和恢复时间分别为29和16S。与具有相同结构特征的纯ZnO或Sn02多孔空心球相比，Zn掺杂SnO：多孔空心球气敏元件在灵敏度与稳定性表现出较大的优势。3、Zn2SnO。纳米结构的制备及其气敏性能研究采用水热制备Zn2SnO。纳米结构并对其形貌和结构进行了表征。研究表明，

7、通过改变水热液的pH值，可以对其形貌及晶体生长取向进行调控。在材料制备过程中，当反应溶液的pH值由9到11再到13时，Zn2Sn04的形貌由单一的纳摘要米颗粒转变为纳米颗粒．纳米棒并存，最终转变为纳米棒；Zn2SnO。生长的择优取向从(311)转变为(331)，材料的比表面积也随之增大。结果表明，pH为13时制备的样品对乙醇气体具有最好的敏感性能。在300oC的工作温度下，该敏感元件对100ppm乙醇的响应值达到30．7，响应和恢复时间分别为10和9s。同时，该元件被放置15周，响应值随时间几乎没有变化，表现出很好的测量稳定性。4、ZnO／Si．NPA的制备与湿敏性能研究以

8、硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底，采用溶胶．凝胶法结合旋涂技术制备了ZnO／Si．NPA，并对其形貌和结构特征进行了表征。研究表明，旋涂于Si．NPA衬底上的ZnO纳米晶粒大致呈球状，平均粒径为～5．87nm；ZnO)jSi．NPA保持了良好的柱状阵列结构。通过制作电容型原型器件，对其湿敏性能进行了研究。结果表明，当湿敏元件暴露于33％、54％、75％、95％相对湿度环境中时，其灵敏度分别达到～124．5％、536．2％、2035．4％和5522％，元件的响应和恢复时间分别为65S和48S。放置15周后，该元件