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ZnO是世界上应用最早的气敏材料,本课题研究了Ag、Ni、Al、Y2O3、CeO2、La2O3掺杂对ZnO纳米线气敏性能的影响,以及通过紫光激发来进一步提高纯ZnO纳米线以及掺杂ZnO纳米线的气敏性能,并初步讨论了掺杂和紫光激发的敏感机理。
本文以物理热蒸发法制备的纯ZnO纳米线和Ag、Ni、Al、Y2O3、CeO2、La2O3掺杂的ZnO纳米线为气敏基料,制备成旁热式气敏元件,对浓度均为100ppm的无水乙醇蒸汽、氨气、甲烷、一氧化碳四种气体进行了性能测试。获得的主要结果如下:
1.在无水乙醇蒸汽气氛中,纯ZnO纳米线的灵敏度为22,最佳的掺杂元素是Ag,灵敏度为76,提高了245%;紫光激发下,最佳的掺杂元素是Ag,灵敏度为178,提高了709%。
2.在氨气气氛中,纯ZnO纳米线的灵敏度为7.5,最佳的掺杂元素是Ni,灵敏度为15,提高了100%;紫光激发下,最佳的掺杂元素是Ni,灵敏度为84,提高了1020%。
3.在甲烷气氛中,纯ZnO纳米线的灵敏度为6,最佳的掺杂元素是Ni,灵敏度为15.5,提高了158%;紫光激发下,最佳的掺杂元素是Ni,灵敏度为75,提高了1150%。
4.在一氧化碳气氛中,纯ZnO纳米线的灵敏度为7,最佳的掺杂元素是Al,灵敏度为14.4,提高了106%;紫光激发下,最佳的掺杂元素是Ni,灵敏度为125,提高了1686%。
5.与纯ZnO纳米线相比,掺杂后ZnO纳米线的直径变细,使纳米线的表面积增大,从而大大增加了氧吸附量,因此提高了气敏性能。
6.紫光激发引入了大量的电子和空穴,使载流子的数量急剧增大,电导率上升,电阻急剧减小,因此,提高了ZnO纳米线的气敏性能,缩短了响应-恢复时间。并且,随着紫光照射功率的增强,纯ZnO纳米线和掺杂ZnO纳米线的气敏性能都提高。