In2O3基异质结纳米纤维的制备及其气敏性质研究

来源 :东北师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:binhaiwz_2009
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半导体气体传感器在工业生产、环境检测、医疗健康等领域有重要应用。金属氧化物半导体通常具有较好的气敏性能,如何进一步提高其气敏性能是目前气敏材料领域的热点研究方向之一。对材料进行纳米化、元素掺杂、贵金属或氧化物表面修饰等是提高材料气敏性能的重要途径。静电纺丝技术制备的氧化物纳米纤维材料具有较高的比表面积、超高的长径比和三维的多孔结构,因而有利于气体响应过程中的电子转移和传输,受到相关研究者的广泛关注。本论文以电纺In2O3纳米纤维为研究对象,利用其一维结构特性和纳米结构特性提高其气敏性能;进一步通过溶剂热法构建n-ZnO/n-In2O3与p-CuO/n-In2O3纳米异质结,探究异质结构对其气敏性能的影响。主要研究内容如下:(1)通过静电纺丝技术获得了In2O3纳米纤维材料,进一步采用溶剂热法制备了n-ZnO/n-In2O3异质结纳米纤维。采用同步热分析仪(TGA/DSC),扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman spectrum)等测试手段对样品进行了表征。研究发现,电纺制备的In2O3纳米纤维具有较为光滑的表面,纤维直径均匀,直径在100 nm左右;溶剂热反应后,直径在500 nm左右的ZnO微球镶嵌在In2O3纳米纤维上,无其他杂质生成。通过制备旁热式气敏器件对样品的气敏性能进行研究,结果表明,相较于In2O3纳米纤维传感器,n-ZnO/n-In2O3异质结纳米纤维传感器的灵敏度提高了5倍以上,在工作温度为200℃、甲醛浓度为100 ppm时其灵敏度为9.2;同时器件的最佳工作温度降低了50℃,响应时间从145s减小到94 s(恢复时间没有明显变化),对甲醛具有良好的选择性。复合材料气敏特性的提高可能来自其较大的比表面积、一维纳米结构对电子传输的限域性,以及异质结对耗尽层调控的协同作用。(2)以电纺In2O3纳米纤维为模版,通过溶剂热法将传统p型材料CuO负载在纳米纤维表面,构建p-CuO/n-In2O3异质结纳米纤维。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等方法对所得材料的形貌和结构进行表征。研究结果表明,CuO纳米颗粒可以均匀的负载在超细In2O3纳米纤维表面;随着反应液中乙酸铜浓度的增加,负载的CuO纳米颗粒密度也逐渐增加;CuO纳米颗粒由多晶组成,直径在200 nm左右。通过制备旁热式气敏器件对其复合纳米纤维材料的气敏特性进行研究,结果表明,p-CuO/n-In2O3异质结纳米纤维相比纯的In2O3纳米纤维对H2S气体具有较高的灵敏度和较低的工作温度。随着反应液铜盐浓度的增加,样品对H2S的响应性能先增加后减小。样品S2在工作温度为100oC、H2S浓度为100 ppm时灵敏度可以达到183,相较于纯In2O3灵敏度提高了120倍以上。在10 ppm以下时,器件表现为p型行为,高于10 ppm时显示n型行为。这种p-n型转换特性对于监测H2S的泄露可能具有一定的应用价值。
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