ZnO基纳米异质结构的制备及湿敏特性研究

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湿敏传感器在我们的日常生活、医疗卫生、农业和工业的生产制造以及食品的储存和运输等领域发挥着越来越重要的作用。ZnO、SnO2等金属氧化物因为具有较好的湿敏性能,所以在湿敏传感器领域具有广泛的应用前景,吸引了大量研究人员的注意。为了进一步提高ZnO、SnO2等金属氧化物的湿敏性能,以增强它们的实用性,多种方法和措施被提出。其中,将它们与另一种具有湿敏性能的材料进行复合是一种常用且有效的方法。本论文以水热法制备得到的ZnO纳米棒为基础,采用化学溶液法成功制备出了ZnO-NiO异质结纳米棒和ZnO-SnO2纳米异质结薄膜,并对它们的湿敏性能和原理进行了研究分析。对于ZnO-NiO、ZnO-SnO2这两种异质结构,首先对它们进行了XRD、XPS和SEM等表征,表征结果不仅证明了ZnO-NiO和ZnO-SnO2异质结构的成功制备,而且还分别揭示了这两种异质结构由ZnO纳米棒转变而来的过程。进行的湿敏测试表明,ZnO-NiO异质结纳米棒和ZnO-SnO2异质结薄膜的湿敏性能与ZnO纳米棒相比有了明显的提高,具体表现为更高的响应度(两者的最高响应度分别可以达到819.19和10的4次方),大幅提高的吸附和解吸附速度,以及分别在线性坐标和对数坐标下更好的线性度。通过EIS阻抗谱的分析,研究两种ZnO基异质结构的湿敏过程随着湿度的提高而发生的变化。ZnO-NiO异质结纳米棒的湿敏过程,随着湿度的逐渐增大,由电子转移效应占主导的状态,逐渐转变为质子传导效应占主导的状态。对于ZnO-SnO2异质结薄膜,它的湿敏过程随着湿度的增大,由低湿度下的只存在电子转移效应,逐渐转变为电子转移效应和质子传导效应共存。分析两种异质结构湿敏性能提高的原因,认为是两种异质结构粗糙的表面提供了更多的吸附位点,促进了质子传导效应,同时,异质结中形成的电子耗尽层促进了电子转移效应,质子传导效应和电子转移效应的双重促进是提高其湿敏性能的重要原因。本论文的实验结果证明了异质结构是提高金属氧化物湿敏性能的有效方法。并且本论文对异质结构提高湿敏性能的原理进行了分析讨论。
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