SnO2材料气敏性能研究进展

SnO2材料气敏性能研究进展

1.气体传感器的定义与研究意义

气体传感器是传感器领域的一个重要分支，是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等使用的信息的装置。它主要用来检测气体的种类和浓度，对接触气体产生响应并转化成电信号从而达到对气体进行定量或半定量检测报警的目的。气体传感器现已在人类的生产生活中得到了广泛的应用，在民用方面，主要是检测天然气、煤气的泄露，二氧化碳气体含量、烟雾杂质和某些难闻的气味及火灾发生等；在工业方面，主要是检测硫化物、氮氧化物、CH4、CO、CO2及Cl2等有毒或有害的气体，检测有机溶剂和磷烷、砷烷等剧毒气体，检测电力变压器油变质而产生的氢气，检测食品的新鲜度，检测空燃比或废气中的氧气的含量以及检测驾驶员呼气中酒精含量等；在农业生产上，主要是检测温度和湿度、CO2，土壤干燥度、土壤养分和光照度。因此，气敏传感器的研究具有非常重要的意义。

2.气体传感器的分类

按基体材料的不同，气敏传感器还可分为固体电解质气体传感器、有机高分子半导体传感器，金属氧化物半导体气体传感器；按被检测的气体不同，气敏传感器可分为酒敏器件、氢敏器件、氧敏器件等。固体电解质气体传感器使用固体电解质做气敏材料，主要是通过测量气敏材料通过气体时形成的电动势而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用。高分子气敏传感器通过测量气敏材料吸收气体后的电阻、电动势、声波在材料表面传播速度或频率以及重量的变化来测量气体浓度。高分子气体传感器具有许多的优点，如对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。金属氧化物半导体气体传感器是一类研究时间较长、应用前景较好的传感器，它主要根据材料表面接触气体后电阻发生变化的原理来检测气体。因为金属氧化物半导体中多数载流子的不同而分为P型和N型。N 型半导体材料中，主要是晶格内部存在氧离子的缺位或阳离子的填隙，此类材料主要包括SnO、ZnO、In2O3、a-Fe2O3、WO3、ZnFe2O4、CdO和TiO2等。在P

型半导体材料中，晶格内部存在阳离子的缺位，即空穴导电，这类材料主要包括LaFeO 3、MoO 2、Cr 2O 3、CuO 、SnO 、Cu 2O 和NiO 等。还有一些金属氧化物半导体如ZnO 、V 2O 5、NiO 和In 2O 3等既可以为N 型，也可为P 型，这取决于材料的结构和制备方法等因素。

3.金属氧化物半导体气体传感器的气敏机理

关于半导体氧化物的气敏特性机理的研究，目前已提出的理论模型可归纳为:表面电阻控制模型（吸附氧理论）、晶界势垒模型、空间电荷层调制理论、晶粒尺寸效应机理和催化剂的作用机理、体电阻控制模型。主要介绍第一种模型。吸附氧理论也属于表面电阻控制模型的一种，我们以N 型金属氧化物半导体为例来加以解释。空气中的氧分子物理吸附在N 型半导体气敏元件的表面，随着工作温度的升高在材料表面转化为化学吸附氧，和半导体接触后从半导体表面获得电子，形成O 2-, O -, O 2-等，如下图所示，从而束缚材料表面的自由电子，导致材料表面的电阻增大；还原性气体如乙醇、H2和CO 等，与材料表面形成的氧负离子相接触时，气体分子失去电子，如式1-2，1-3和1-4所示，失去的电子重新回到半导体中去，表面电阻下降电导增加。当前研究最多的是N 型半导体，这种模型也是最常用机理模型。

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--+→+ne O H ads H ads O n 22)()( （1-3）

--+→+ne CO ads CO ads O n 2)()( （1-4） 4.气体传感器的性能参数及指标

4.1元件的正常电阻Ra 和工作电阻Rg

正常电阻R a 表示气敏元件在正常空气（或洁净空气）条件下的阻值，又称固有电阻；工作电阻R g 表示气敏元件在一定浓度的检测气体下的阻值。

4.2工作温度

工作温度(working temperature)也称操作温度(operating temperature)。金属氧化物半导体气敏材料一般的工作温度都在100℃以上，一般来说，半导体材料的工作温度与测试环境有很大的关系。通常一种气敏材料会有一个最佳的操作温度(optimum operating temperature)，简称OOT ，在这一温度下材料对某一特定浓度的气体会表现出最大的灵敏度。在通常的实验测试中，首先需要确定出其OOT ， OOT 越低意味着能耗越低，气敏元件的寿命就会越长。因此，能在室温下检测气体一直是研究者追求的目标。但是较低的温度有时会导致气体响应和恢复时间延长，在气敏元件的实际应用中，要综合考虑各方面因素，选择合适的工作温度。

4.3灵敏度

气敏元件的灵敏度S ( sensitivity ），也称为响应(response)，主要是指气敏材料或气敏元件对被检测气体的敏感程度。一般用测试前后的电阻或电压的比值表示。通常定义N 型半导体气敏元件的灵敏度为：

g

a g a V V R R S == （还原性气体） a g a g

V V R R S == （氧化性气体）

式中R a 和V a 分别表示气敏元件在空气中的电阻值和在负载电阻上的电压输出值；R g 和Vg 分别为气敏元件在待测气体中的电阻值和负载电阻上的电压输出值。对于P 型半导体则与之正好相反。

4.4响应时间和恢复时间

响应时间(response time)和恢复时间(recovery time)是表示气敏元件对被测气体响应恢复速度的好坏，分别指元件与测试气体接触或脱离后，元件的电阻值达到稳态所需要的时间。一般定义响应时间为从元件接触被测气体时开始计时，到电阻达到稳态阻值的90%所需的时间；恢复时间是指元件脱离被测气体以后阻值恢复到变化阻值的90%所需要的时间。响应一恢复时间越短越好，有利于连续测

试。

4.5选择性

选择性(selectivity)是指气敏材料对多种气体中某种特定气体的响应情况。一般是比较气敏元件在同一测试温度和气体浓度下，对不同气体的灵敏度。理论上要求在相同环境中对被检测气体有较好的灵敏度，而对其它气体没有灵敏度或灵敏度很小。

4.6稳定性

稳定性(stability)是反映了传感器元件对环境因素的承受能力（包括温度、湿度、烟尘等）。对气体传感器来说，稳定性十分重要。通常，气敏元件长期使用以后电阻会发生漂移，致使灵敏度降低，传感器寿命缩短。通过开发新材料和对材料进行掺杂、复合等都可以改善气敏材料的稳定性。

5.金属氧化物半导体气体传感器存在的问题和研究方向

一个完美的气体传感器应该具有以下优点：(1)选择性好，能够在多种气体共存的情况下，只对特定气体有明显的响应；(2)灵敏度高，对超低浓度下的气体也能进行检测；(3)稳定性好，在不同的工作环境中，依旧能稳定工作且使用寿命长；(4)响应恢复时间短；(5)气敏现象可逆，能重复使用；(6)工作温度范围宽，最好在常温下就可以检测；(7)制作简单，成本低。但是，在实际应用中，由于环境的复杂性、气体的多样性及材料本身的稳定性等方面的因素，目前金属氧化物半导体气体传感器存在的主要问题是上述几方面无法同时得到满足，要么是元件的选择性不高，不是仅仅对被检测的一种气体感，而同时可能对几种气体都比较敏感；要么是元件工作温度高或是稳定性不好；要么是检测机理模糊。所以，金属氧化物半导体在很多方面有许多问题需要解决。因此可以通过控制其微观结构完成目前气敏材料领域的三大任务：新材料的探索、对现有气敏材料的改善及对气敏机理的研究。

6.SnO2气敏传感器的研究进展

近年来，微纳结构的SnO2气敏传感器由于其非常好的气敏性能，已经受到了人们广泛的关注。但是，研究发现不同形貌、不同掺杂的SnO2气敏传感器的气敏性能有非常大的差异。目前的研究重点是通过各种各样的方法如气相法、液相法和固相法来获得具有特殊形貌的微纳结构SnO2，并在此基础上对其进行掺杂改性来提高其气敏性能。下面将概述不同形貌和不同掺杂微纳结构SnO2气敏传感器的研究进展。

6.1不同形貌微纳结构SnO2气敏传感器的制备

目前不同形貌微纳结构SnO2气敏传感器的研究主要集中在一维结构和分级结构，如纳米带、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米花、海胆状分级结构以及纳米片自组装分级结构等。

6.1.1一维结构SnO2

一维结构SnO2纳米材料具有非常高的表面体积比和非常高的表面活性，这使其对外界环境非常敏感，在传感器件方面具有重要的应用前景。

Zhang 等[1]以MnO2纳米棒为模板制备了多孔SnO2微管，测试了其对不同浓度乙醇的响应情况，并与SnO2块体材料进行了对比，发现在灵敏度、响应恢复时间、稳定性等方面均好于块体材料。

Kumar[2]通过低温热蒸发法制备了SnO2纳米线，并测试了其对甲醇的响应情况。

Qi等[3]通过静电纺丝技术制备了直径在80~160 nm的SnO2纳米纤维，研究了其对甲苯、苯、乙醇及甲醇等不同气体响应情况，结果发现其对甲苯的选择性要远高于其他气体。

6.1.2分级结构

SnO2分级结构SnO2具有较大的比表面积以及特殊的空间结构，有利于电子的传输，在气敏材料的研究中占据着重要的地位，也是当前研究的热点。

Liu等[4]通过无模板水热法制备了直径在100~300 nm的海胆状分级结构

SnO2，测试了其对乙醇的气敏性能，发现其对乙醇的气敏性能大约是SnO2空心球的3倍。

Liu等[5]通过水热法制备了超薄纳米片自组装分级结构SnO2，测试了其对不同挥发性气体的气敏性能，发现其气敏性能均好于块体材料，对乙醇的选择性远高于其他气体。

Lin等[6]首先通过水热法制备了SnO2前驱体，后高温退火制备了多孔珊瑚状SnO2，其对100 mg/L乙醇的灵敏度达到了3100，好于SnO2纳米球。

刘斌等[7]通过PVP辅助水热法制备了直径在1.7~2.0 μm亚微米棒自组装的SnO2球形花状分级结构，测试了其对乙醇和三乙胺的气敏性能，发现其气敏性能均好于无形貌的SnO2粉末。

6.1.3其他形貌SnO2

Chiu等[8]SnCl4 ·5H2O为锡源，水热制备了尺寸3.0 nm的纳米颗粒，其比表面积达到了130m2/g，在220℃时对25 mg/L乙醇的灵敏度达到了26，响应和恢复时间分别为30 s和18 s。

Zhang等[9]以碳球为模板制备了一系列具有不同直径的SnO2空心微球，研究了气体浓度、操作温度及晶体尺寸等因素对其气敏性能的影响，发现晶体尺寸为12.7 nm的空心微球对NO2最灵敏。

Xie[10]通过水热法制备了尺寸为50 nm的六边形SnO2，测试了其对三乙胺的气敏性能，发现在160℃时其对1 mg/L和100 mg/L三乙胺的灵敏度分别为3和70，对1 mg/L三乙胺的响应和恢复时间分别为3s和9 s。

6.2不同掺杂SnO2

为了进一步提高SnO2气敏传感器的选择性和灵敏度，人们尝试了很多的方法。在这些方法当中，掺杂改性引起了人们更多的关注。掺杂物在气敏反应过程中可以改变能带结构并提供更多的活性中心，优先吸附目标气体分子，并加快其与目标气体分子的反应速度，改变SnO2的电导，增强其气敏性能，从而实现对目标气体分子的检测。在SnO2气体传感器中，常见的掺杂主要是金属掺杂和金属氧化物掺杂。

6.2.1金属掺杂

目前对具有不同形貌微纳结构SnO2进行掺杂的金属元素主要是贵金属和稀土元素，常用的贵金属元素有：Ru、Pd、Au、Pt、Ag和Rh；稀土元素有Ce、Pr、Y、Yb。除此以外，还有其他一些金属元素，如Sb、Ni、Zn、Cd、Cu、Co、In和Sr。

Zhang等[11]通过两步法，首先制备SnO2空心球，后将其分散于HAuCl4溶液中，再加入氨水，最后将得到的沉淀高温煅烧得到Au掺杂的多孔SnO2空心球，测试了其对不同气体的响应情况，发现其对乙醇具有良好的选择性、高的灵敏度和稳定性。

Song等[12]以聚苯乙烯球为模板，制备了Ce掺杂的SnO2空心球，发现其在250 ℃时，对500 mg/L的丙酮有非常高的灵敏度和选择性。

Huang等[13]通过水热法制备了Zn掺杂的SnO2纳米棒，与未掺杂的纯SnO2纳米棒相比，对10 mg/L的甲醛、乙醇及丙酮具有更高的灵敏度。

Jin等[14]通过水热法制备了Cu掺杂的SnO2花状分级结构，260 ℃时其对丙酮的响应达到了氨水的11.5倍，显示出对丙酮具有非常好的选择性。

6.2.2金属氧化物掺杂

常用于掺杂的氧化物有NiO、ZnO、CeO2及V2O5等，此外还有MoO3、TiO2、Sm2O3和Cr2O3。

Lou等[15]通过水热法制备了NiO掺杂的SnO2多面体，在280 ℃时，对30 mg/L 乙醇的响应时间为0.6s，远远好于未掺杂的纯SnO2。

Ma 等[16]通过两步法制备了ZnO掺杂的SnO2空心球，测试了其对乙醇的响应情况，发现与未掺杂的纯SnO2及其他纳米材料相比，不仅具有高的灵敏度，而且工作温度下降到150 ℃。

7.总结

近年来，研究者通过各种各样的方法制备了具有不同形貌以及掺杂不同金属和金属氧化物的微纳结构SnO2气敏传感器，其气敏性能较传统的SnO2气敏传感器有了很大的提升。但仍然存在一些问题，如工作温度较高，一般在200~400 ℃

之间，选择性差，气敏元件制备工艺复杂，距离实际应用还有很大的差距，这些都阻碍SnO2气敏传感器进一步的市场化。对于各种微纳结构SnO2气敏传感器而言，如何提高其对特殊气体的选择性和灵敏度、降低工作温度、优化制备工艺将是今后的研究热点。微纳结构SnO2气敏传感器的性能对其形貌和掺杂有着很强的依赖关系，但如何通过对其形貌进行有效控制以及选择合适的金属元素和金属氧化物对其进行掺杂改性来进一步提高微纳结构SnO2的气敏性能，研究形貌、掺杂改性与其气敏性能的对应关系及其传感机理，依然是该领域的关键问题，这需要多学科的通力合作。

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graphene气敏性能_张焕林

石墨烯气敏性能的研究进展 张焕林１，李芳芳２，刘柯钊１ （１　表面物理与化学重点实验室，绵阳６２１９０７；２　中国工程物理研究院，绵阳６２１９００ ）摘要 石墨烯因具有高的电子迁移率和超大的比表面积而有望成为新一代的气敏材料，近年来有关石墨烯气体传感器的研究工作逐年增加。概述了石墨烯的结构和特性；介绍了典型石墨烯气体传感器的工作原理；综述了本征和功能化石墨烯的多种气体气敏特性在理论和实验上的研究现状。 关键词 石墨烯　本征石墨烯　改性石墨烯　气敏特性 Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｇａｓ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　 ｏｆ　ＧｒａｐｈｅｎｅＺＨＡＮＧ　Ｈｕａｎｌｉｎ１，ＬＩ　Ｆａｎｇｆａｎｇ２， ＬＩＵ　Ｋｅｚｈａｏ１ （１　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　 ６２１９０７；２　Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　 ６２１９００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｅｘｃｅｐｔｉｏｎａｌｌｙ　ｈｉｇｈ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｏ－ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ，ｇｒａ－ｐｈｅｎｅ　ｉｓ　ｔｈｏｕｇｈｔ　ｔｏ　ｂｅ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｏｒ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｉｎｇ．Ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ａｒｔｉｃｌｅｓａｂｏｕｔ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉ－ｐｌｅ　ｏｆ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｗｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔａｔｕｓ　ｏｎ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　 ｏｆ　ｐｒｉｓｔｉｎｅ　ａｎｄ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｔｏ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｇａｓｅｓ．Ｋｅｙ　 ｗｏｒｄｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｐｒｉｓｔｉｎｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｇａｓ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　张焕林：女，硕士研究生，从事碳材料的功能化研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ ｈｌ０６＠１２６．ｃｏｍ０　引言 石墨烯是除了石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管之外碳元素的又一种同素异形体。它是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构， 是构成其他维数材料的基本结构单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆 垛成三维的石墨［１］ 。２００４年英国曼彻斯特大学的物理学教授Ｇｅｉｍ的研究组［２］ 用高度定向的热解石墨（ＨＯＰＧ） 首次获得了独立存在的高质量的石墨烯， 并对其电学性能进行了系统表征。研究发现石墨烯存在双极性电场效应，具有极大的载流子浓度、超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹性输运等特性。这些优异的性能引起了物理学、 材料学、化学等科研领域的广泛关注，掀起了继富勒烯和碳纳米管后的又一次碳材料研究热潮。石墨烯的发现者Ｇｅｉｍ教授和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ 博士也因此被授予２０１０年度诺贝尔物理学奖。 ２００７年Ｓｃｈｅｄｉｎ等［３］ 首先发现， 用石墨烯制备的传感器可以检测到单个分子在石墨烯表面的吸附和解吸附行为，这 引起了科学界的极大关注。研究者们随后研究了微机械剥离、化学剥离和化学气相沉积等方法制备的石墨烯的气敏特性，发现本征石墨烯只对ＮＯ２、ＮＨ３等少数气体有较高的灵敏度。于是理论研究者纷纷开始了本征、掺杂和缺陷石墨烯与气体吸附作用机制的研究，发现具有一定缺陷或掺杂的石墨烯对特定的气体有较强的吸附。在理论研究的指导下，最近研究者对石墨烯进行了有目的地掺杂和功能化研究以提 高石墨烯对特定气体的选择性和灵敏度。本文着重介绍本征石墨烯的气敏特性、对气体分子的吸附作用，以及功能化石墨烯对氢气的响应特性。 １　石墨烯的结构和特性 石墨烯是由ｓｐ２ 杂化的碳原子紧密排列构成的二维六角 结构的单层石墨，每个碳原子通过σ键与相邻的３个碳原子连接，这些强Ｃ－Ｃ键的网状结构使石墨烯片层具有优异的结构刚性。每个碳原子都有１个未成键的电子， 这些电子在与原子平面垂直的方向上形成的离域π轨道上自由运动，赋予 石墨烯良好的导电性［４］。石墨烯ｓｐ２ 杂化的碳碳键的长度为０．１４２ｎｍ［５］，单原子层的理论厚度为０．３４ｎｍ［６］ 。图１为石墨 烯的能带结构和布里渊区图［７］ ，价带和导带在费米能级的６ 个顶点上相交，由此表明石墨烯是一种零带隙的物质，具有 金属性。石墨烯中电子的典型传导速率为８×１０５　 ｍ·ｓ －１，接近光在真空中传播速度的１／４００ ，比一般半导体的电子传导速率大得多［８］ 。除此之外，当石墨烯被裁剪为宽度小于 １０ｎｍ的纳米条带时会产生一定的带隙， 这种半导体石墨烯在晶体管中有较大的潜在应用价值［ ９］ 。目前已证实的石墨烯的优异的物理性质包括：室温下高 的电子迁移率（１５０００ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１）［２，１０］ ；优异的热导率（约５０００Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）［１１］ ，是Ｃｕ热导率的１０倍多；超高的力学性能，破坏强度为４２Ｎ／ｍ，杨氏模量为１．０ＴＰａ［１ ２］ ；超大的比表面积，理论值为２６３０ｍ ２·ｇ－１［１３］；几乎完全透明，光透· ９３·石墨烯气敏性能的研究进展／张焕林等

SnO2材料气敏性能研究进展

SnO2材料气敏性能研究进展 1.气体传感器的定义与研究意义 气体传感器是传感器领域的一个重要分支，是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等使用的信息的装置。它主要用来检测气体的种类和浓度，对接触气体产生响应并转化成电信号从而达到对气体进行定量或半定量检测报警的目的。气体传感器现已在人类的生产生活中得到了广泛的应用，在民用方面，主要是检测天然气、煤气的泄露，二氧化碳气体含量、烟雾杂质和某些难闻的气味及火灾发生等；在工业方面，主要是检测硫化物、氮氧化物、CH4、CO、CO2及Cl2等有毒或有害的气体，检测有机溶剂和磷烷、砷烷等剧毒气体，检测电力变压器油变质而产生的氢气，检测食品的新鲜度，检测空燃比或废气中的氧气的含量以及检测驾驶员呼气中酒精含量等；在农业生产上，主要是检测温度和湿度、CO2，土壤干燥度、土壤养分和光照度。因此，气敏传感器的研究具有非常重要的意义。 2.气体传感器的分类 按基体材料的不同，气敏传感器还可分为固体电解质气体传感器、有机高分子半导体传感器，金属氧化物半导体气体传感器；按被检测的气体不同，气敏传感器可分为酒敏器件、氢敏器件、氧敏器件等。固体电解质气体传感器使用固体电解质做气敏材料，主要是通过测量气敏材料通过气体时形成的电动势而测量气体浓度。这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用。高分子气敏传感器通过测量气敏材料吸收气体后的电阻、电动势、声波在材料表面传播速度或频率以及重量的变化来测量气体浓度。高分子气体传感器具有许多的优点，如对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。金属氧化物半导体气体传感器是一类研究时间较长、应用前景较好的传感器，它主要根据材料表面接触气体后电阻发生变化的原理来检测气体。因为金属氧化物半导体中多数载流子的不同而分为P型和N型。N 型半导体材料中，主要是晶格内部存在氧离子的缺位或阳离子的填隙，此类材料主要包括SnO、ZnO、In2O3、a-Fe2O3、WO3、ZnFe2O4、CdO和TiO2等。在P

气敏材料敏感机理研究进展

摘要：为研究气敏材料的敏感机理，获得提高材料气敏性能、开发新 型气敏材料的理论指导，介绍了气敏材料的概念、 分类，并从气体与敏感材料的物理、化学等相互作用出发，结合气敏材料电学性质的变化，对其敏感机理及模型进行了较为详细的阐述，指出气敏机理研究对于解决气敏材料选择性、稳定性差以及工作温度高等现存问题有着重要的意义。 关键词：气敏材料；气敏机理；模型中图分类号：ＴＰ２１２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－５５４８（２００７）０４－００４２－０４ ＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｅｎｓｉｔｉｖｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＧａｓＳｅｎｓｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ ＬＩＵＨａｉ－ｆｅｎｇ，ＰＥＮＧＴｏｎｇ－ｊｉａｎｇ，ＳＵＮＨｏｎｇ－ｊｕａｎ， ＭＡＧｕｏ－ｈｕａ，ＤＵＡＮＴａｏ （ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｅｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｎｅｗｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｍｏｄｅｌｓｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｎｇｅｏｆｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｃａｕｓｅｄｂｙａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｇａｓｅｓａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｉｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈａｔｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｕｎｓｔａｂｌｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｗｏｒｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｍｏｄｅｌ 气敏材料是一种对某种环境中某种气体十分敏感的材料，一般都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导化，其电阻随其所处环境的气氛而变。不同类型的气敏材料，对某一种或几种气体特别敏感，其阻值将随该种气体的浓度（分压）有规律地变化，其检测灵敏度为百万分之一的量级，个别可达十亿分之一的量级，远远超过动物的 嗅觉感知度，故有“ 电子鼻”之称［１￣３］。目前，对于各种气敏材料的研究已经引起许多研究者的关注，但对气敏机理的认识还较为模糊。有学者提出了表面电阻控制模型、体电阻控制模型、吸附气体产生新能级模型、隧道效应模型、控制栅极模型和接触燃烧模型等气敏模型［４］。本文主要从气体与敏感材料的相互作用出发，结合气敏材料电学性质的变化，对气敏材料的敏感机理进行较为详细的阐述。 １吸、 脱附模型吸、脱附模型是指利用待测气体在气敏材料上进行物理或化学吸、脱附，引起材料电阻等电学性质变化从而达到检测目的的模型。该模型建立较早，是最为公认的气敏机理模型。通常情况下，材料对气体的物理和化学吸附不可分离的，只是对于不同的材料，起主导作用的吸附方式不同。１．１物理吸、 脱附模型物理吸、脱附模型是利用气体与敏感材料的物理吸、脱附进行检测的。如水蒸气（湿敏）传感器就是利用物理吸附的水分子引起材料表面的电导率发生变化进行检测，也可利用吸附的水分子引起材料电容变化而进行检测。 严白平等［５］通过对ＭｇＣｒ２Ｏ４－ＴｉＯ２湿敏陶瓷的机理进行微观研究表明，材料表面颗粒存在电子电导，产生这种电子电导的原因不是水的化学吸附，因为水的化学吸附在低温下是不可逆的，其化学反应式是： Ｈ２Ｏ＋Ｏ－→２ＯＨ＋ｅ。反应生成的ＯＨ不会在低温下还 原成Ｈ２Ｏ。显然，湿敏材料表面电子电导产生的原因 是物理吸附水。物理吸附水在湿敏材料表面是以弱氢键的形式吸附于表面ＯＨ上，由于水分子的强极性，水分子的物理吸附等效于表面上吸附了电偶极子。物理吸附水是容易脱附的，水分子的吸附、脱附等效于表面电偶极子的偶极矩增大、减小。这种表面偶极矩的变化使表面能变化，表面与材料内部实现电子转移。 收稿日期：２００６－１１－２８。 基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目，编号： ２００４ＡＡ３０２０３２。 第一作者简介：刘海峰（１９８３－），男，硕士研究生。 气敏材料敏感机理研究进展 刘海峰，彭同江，孙红娟，马国华，段 涛 （西南科技大学矿物材料与应用研究所，四川绵阳 ６２１０１０）

碳_离子液体凝胶气敏材料响应性能的研究

第22卷第5期2010年5月化学研究与应用Che m ica l R esearch and Appli ca tion V o.l 22,N o .5 M ay ,2010 文章编号:1004 1656(2010)05 0625 04 碳 离子液体凝胶气敏材料响应性能的研究 李 艳,孙 洁,陈 婷,汪佳俐,冯依玲,邓卫芹,曹晓卫,王 荣 * (上海师范大学化学系,上海 200234) 收稿日期:2009 10 14;修回日期:2009 12 26 基金项目:国家自然科学基金项目(20503016)资助;上海市科委启明星基金项目(07QA14044)资助;湖南大学生物传感与计量学国家重点实验室开放基金资助项目 联系人简介:王荣(1972 ),男,副教授,主要研究方向电化学与化学传感器。Ema i :l w angrong @shnu edu cn 关键词:碳 离子液体凝胶;有机蒸汽;气敏材料;主元分析;气体传感器中图分类号:O657 1 文献标识码:A Carbon black ionic li qui d gel for gas sensi ng LI Yan ,SUN Jie ,C H E NG T i n g ,WANG Jia l,i FENG Y i li n g ,DE NG W e i q i n g ,C AO X iao w e,i WANG Rong * (D epart m ent o f Che m i stry ,Shangha iN or m a lU n i versity ,Shangha i 200234,Ch i na) Ab stract :T he carbon b l ack/i on i c li qui d gels w ere used as the sensing ma teria l s i n the gas senso r and senso r array for o rganic vapor de tecti on R esults suggested t hat t h i s gas sensi ng m ater i a l showed a good li near response to w ards t he concentra ti on o f dich l o rome t hane ,te trahydrofuran ,et hy l cyanide ,e t hano ,l acetone vapors w i th quite different sensiti v ity T hese organ i c vapo rs w ere then successf u lly disti ngu i shed by the sensor array based on t he ca rbon b l ack /Bm i m PF 6、Em i m ET S O 4、Em i m CF 3SO 3ge ls and the pri nc i pal e le m ent data analysis m et hods K ey w ords :carbon black /i onic liqu i ds ge;l org an i c vapo r ;gas sensi ng ma teria;l pri nc i pal e le m ent ana l ysis ;gas sensor 随着我国国民经济的快速发展和国家安全的 需要,及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测、预报和自动控制,是煤炭、石油、化工、电力、国家安全部门等急待解决的重要课题。同时在质量检测,生产监控特别是食品、化妆品、饮料和其他化学品中都要求能够开发出性能优良、 方便耐用、小型多功能的新型气体传感器[1] 。其中气敏材料是传感器的核心,它决定传感器的选择性、灵敏度、线性度、稳定性等。因此,新功能敏感材料的开发及优化一直是传感器研究的热点。 近年来,碳粉/聚合物导电复合材料作为一种气敏响应材料被广泛应用于气体传感器和 电子 鼻中 [2],例如Do le m an 等[3] 使用导电碳粉分别与14种聚合物制备的复合材料所构成的传感器阵列,这一传感器阵列可用来检测19种常见有机溶 剂或蒸气。K i m 等[4] 构建了便携式的微型电子鼻系统,包含有16种碳粉聚合物的传感器单元,可以很好的鉴别常见的有机物以及混合酒类样品。 此外,日本的Tsuboka wa 研究小组[2] 在导电碳粉表面对化学接枝处理进行了大量的研究,以提高气敏材料的响应特性。碳粉/聚合物导电复合材料吸收了气体后,体积膨胀,电阻随之增加,从而 对大多数有机气体都有广泛的响应[5] 。然而由于聚合物没有固定的分子结构,且碳粉在聚合物中是很难均匀分散的,使得碳粉/聚合物材料的气敏特性受材料制作工艺的影响较大。 室温离子液体是指在室温或室温附近温度下呈液态由离子所构成的物质,由于具有可忽略的蒸气压,高的热稳定性等独特的物理化学性质,作为一种新型的气体敏感材料,具有潜在的应用价

气敏材料

气敏材料 气敏材料指的是当某一种材料吸附某种气体后，该材料的电阻率发生变化的一种功能材料。它是用二氧化锡等材料经压制烧结而成的，对许多气体反映十分灵敏，可应用于气敏检漏仪等装置进行自动报警。在生活中，它的应用越来越多，可保障人们的生命财产。 在地球的表层，埋藏着大量的煤炭资源，勤劳勇敢的煤矿工人夜以继日地在井下作业，地下的“乌金”被源源不断地送往电厂、钢厂及千家万户，给人类送来光明和温暖。但是，在煤矿的矿井中有一种危害矿工生命的气体——瓦斯。它不仅会令人窒息，而且一旦爆炸，后果不堪设想。在寒冷的冬天，居民用煤炭取暖，稍不注意会造成煤气中毒。在许多城市中做饭烧水都用上了煤气，这种煤气主要是由一氧化碳和氢气组成的，煤气给人们的生活带来了方便，但是这种有毒、易燃、易爆气体一旦泄漏也会造成巨大的危害。如果能对这些有害气体早发现、早预报该多好啊！为此，科技工作者研制出了专门预报这些有毒、易燃、易爆气体的“电鼻子”。这种“电鼻子”学名叫气敏检漏仪。它的“鼻子”是一块“气敏陶瓷”，亦称气敏半导体。这种气敏陶瓷是用二氧化锡等材料经压制烧结而成的。它的表面和内部吸附着氧分子，当遇到易燃易爆的还原性气体时，这些气体就会与其吸附的氧结合，从而引起陶瓷电阻的变化。在这种情况下，气敏检漏仪就会自动报警。这种“电鼻子”对许多气体反映十分灵敏，如对百万分之一浓度的氢气即能显示。 有了这种“电鼻子”，矿井、工厂和家庭再也不会为这些还原性有害气体而提心吊胆了。因为只要空气中还原性气体超标，指示灯就会闪亮，报警器就会鸣响，人们就可以采取通风、检漏、堵漏等措施。这样，就会化险为夷，生命财产得到了保障。 产品由来编辑 人们在研制试验各种陶瓷时，发现半导体陶瓷作为气敏材料的灵敏度非常高。如薄膜状氧化锌气敏材料可检测氢气、氧气、乙烯和丙烯气体；以铂作催化剂时可检测乙烷和丙烷等烷烃类可燃性气体；氧化锡气敏材料可检测甲烷、乙烷等可燃性气体。氧化铱系材料是测氧分压最常用的敏感材料。此外，氧化铁、氧化钨、氧化铝、氧化铝等氧化物都有一定的气敏特性。它们通过有选择地吸附气体，使半导体的表面能态发生改变，从而引起电导率的变化，以此确定某种未知气体及其浓度。目前探测诸如一氧化碳、酒精、煤气、苯、丙烷、氢、二氧化硫等气体的气敏陶瓷已经获得了成功。 半导体陶瓷气敏材料在工业上有着极为广阔的应用前景。如对煤矿开采中的瓦斯进行控制与检测，对煤气输送和化工生产中管道气体泄漏进行监测等。 气敏陶瓷通常分为半导体式和固体电解质式两大类。 1)按制造方法又分为烧结型、厚膜型和薄膜型。 2)按材料成分分为金属氧化物系列(ZnO、材料成分分为金属氧化物系列（SnO2、ZnO和 复合氧化物系列(通式为A BO F e2O3、ZrO2)和复合氧化物系列(通式为ABO3)。 半导体气敏陶瓷的导电机理主要有能级生成理论和接触粒界势垒理论。按能级生成理论，当Sn O2、Zn O等N型半导体陶瓷表面吸附还原性气体时，气体将电子给予半导体，并以正电荷与半导体相吸，而进入N型半导体内的电子又束缚少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，增大电子形成电流的能力，使陶瓷电阻值下降；当N型半导体陶瓷表面吸附氧化性气体时，气体将其空穴给予半导体，并以负离子形式与半导体相吸，而进入N型半导体内的空穴使半导体内的电子数减少，因而陶瓷电阻值增大。接触粒界势垒理论则依据多晶半导体能带模型，在多晶界面存在势垒，当界面存在氧化性气体时势垒增加，存在还原性气体时势垒降低,从而导致阻值变化。

Ru负载WO3纳米颗粒对NH3的气敏特性

第46卷第1期2018年1月 硅酸盐学报Vol. 46，No. 1 January，2018 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.sodocs.net/doc/ba12854620.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2018.01.10 Ru负载WO3纳米颗粒对NH3的气敏特性 曾艳，花中秋，田学民，李彦，王天赐，奉轲，邱志磊 (河北工业大学电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401) 摘要：采用酸化法制备了片状WO3纳米颗粒，通过动态配气测试系统测试了WO3对低浓度氨气(质量分数为2×10?6~20×10?6)的气敏性能。结果表明：制备的WO3对氨气的气敏性能较弱。为提高WO3纳米颗粒对氨气的气敏响应能力，采用浸渍法在WO3纳米颗粒表面负载了Ru元素。研究显示：Ru修饰改性的WO3对氨气的气敏响应显著提高，Ru-WO3对NH3的气敏响应随Ru的负载量及传感器工作温度的升高表现为先增大后减小，其中1%Ru-WO3在350℃时对NH3的气敏响应最好，且能响应低至1×10?6的NH3，同时，Ru-WO3在氢气还原后对NH3的气敏响应也得到了显著提高。还探究了氨气的气敏响应机理，初步认为表面吸附氧是WO3及Ru-WO3对NH3气敏响应的起源。 关键词：三氧化钨；钌；氨气；气敏性能 中图分类号：TP212.2 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2018)01–0070–08 网络出版时间：2017–10–11 15:08:39 网络出版地址：https://www.sodocs.net/doc/ba12854620.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20171011.1508.010.html Gas Sensing Properties of WO3 Nanoflakes Loaded with Ru for NH3 Detection ZENG Yan, HUA Zhongqiu, TIAN Xuemin, LI Yan, WANG Tianci, FENG Ke, QIU Zhilei (Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices, School of Electronic and Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, 300401, China) Abstract: WO3 nanoflakes were prepared via an acidification method, and the gas sensing properties of WO3 to low concentrations of ammonia gas (i.e., 2×10?6?20×10?6 in mass fraction) were investigated in a dynamic gas distribution system. The results indicate that the response properties of the prepared WO3 to NH3 are relatively low. In order to promote the response to NH3, ruthenium (Ru) was loaded on the surface of WO3 nanoflakes by an impregnation method. The response to NH3 is significantly improved due to the Ru modification, the gas sensing response of Ru-WO3 to NH3 firstly increases and then decreases with the increases of Ru loading amount and sensor operating temperature. The 1% Ru-WO3 has the maximum gas response to NH3 at 350oC and can respond to NH3 at a low concentration of 1×10?6. Simultaneously, the gas response of Ru-WO3 to NH3 after hydrogen reduction is also enhanced. In addition, the sensing mechanism of NH3 was also discussed. It is indicated that the origin of NH3 gas sensing response of WO3 and Ru-WO3 is the surface adsorption oxygen. Keywords: tungsten trioxide; ruthenium; ammonia gas; gas sensing properties 近年来，随着现代人体呼气分析技术的不断发展与进步，呼气分析式疾病诊断用氨气传感器受到了国内外研究人员的广泛关注[1?2]。氨气作为人体呼出气体的重要成分，是肝脏功能障碍、肾脏病、幽门螺杆菌感染及口腔等疾病的重要生理标志物，特别是肾脏病，其患者呼出气体中氨气浓度的质量分数可达10?6级别[1?2]。因此对NH3的呼气分析检测可实现对肾脏病的大规模快速筛查、早期预防和患者的日常自我诊断。目前对人体呼出气体NH3的检测分析常借助于气相色谱与质谱等技术，但其设备 收稿日期：2017–01–23。修订日期：2017–05–04。 基金项目：天津市自然科学基金(15JCYBJC52100)；国家自然科学基金(61501167)；河北省自然科学基金(F2016202214)项目。 第一作者：曾 艳(1991—)，女，硕士研究生。 通信作者：田学民(1967—)，男，博士，副教授。Received date:2017–01–23. Revised date: 2017–05–04. First author: ZENG Yan (1991–), female, Master candidate. E-mail: zengyan824803@https://www.sodocs.net/doc/ba12854620.html, Correspondent author: TIAN Xuemin (1967–), male, Ph. D., Associate Professor. E–mail: txm07@https://www.sodocs.net/doc/ba12854620.html,

基于Ag-LaFeO_3传感材料的改性及丙酮气敏性能研究

基于Ag-LaFeO_3传感材料的改性及丙酮气敏性能研究 随着科技的进步,在工业生产中使用的化学物质越来越多,丙酮作为一种常用的有机溶剂,用途较为广泛,常用在纤维、塑料、油漆等行业中,人体吸入丙酮后,溶解在血液中,会麻醉中枢神经系统,并会造成肝肾受损,危害人体健康。医学研究表明,丙酮气体作为糖尿病的标识物,正常人呼出的丙酮含量低于0.8ppm, 而糖尿病人呼出的量高于1.8 ppm,采用一定的检测手段,通过对人体呼出气体中丙酮量的测定,可以用于1型糖尿病的无创诊断,所以对丙酮气体检测有重要的应用前景。虽然目前关于丙酮气敏传感材料有一些研究,但是在传感器件的灵敏度、工作温度、选择性等方面依然存在诸多问题。为了能够及时准确的检测丙酮气体的含量是否超标,本论文以Ag-LaFeO3为基体材料,采用分子印迹法改性分别制备了不同体系的分子印迹聚合物(MIPs)粉体,通过X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱分析(FT-IR)对所制备的MIPs的成分、形貌以及结构进行了表征,将制备的MIPs制作成旁热式气敏传感器表征其气敏性能(包括灵敏度、选择性、最佳工作温度、响应恢复特性等),并且研究了不同的制备条件及改性方法对器件气敏特性的影响。 主要内容和结果如下：(1)以Ag-LaFeO3溶胶做交联剂的各元件中,丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰胺(MAC)做功能单体合成的样品的气敏性能较差,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为功能单体,CH3COCH3为溶剂合成的样品,摩尔比为x=5： 100(x=模板分子：功能单体)的器件气敏性能较好,此器件在工作温度为200℃时,对2.5 ppm丙酮气体的灵敏度为14.7,响应恢复时间分别为80s和75 s； (2)SWCNTs改性MIPs的各元件中,以Ag-LaFeO3溶胶做交联剂,SWCNTs含量是1.00%的器件件气敏性能最优,此器件在工作温度120℃时,对2.5 ppm丙酮的灵敏度为18,且对丙酮有良好的选择性；(3)Graphene改性MIPs的各元件中,以 Ag-LaFeO3溶胶做交联剂,Graphene含量为0.4%的元件气敏性能最优,此器件在工作温度为110℃时,对2.5ppm丙酮的灵敏度为71.2,响应恢复时间分别为60s 和65s,且对丙酮有较好的选择性；(4) MIPs的气敏机理是：在印迹过程中,首先功能单体与模板分子通过氢键相互作用,接着交联剂与功能单体之间形成配位作用,最终脱去模板分子后在MIPs中形成了对丙酮具有特异识别性的的识别位点,而这些识别位点可以对丙酮进行选择性吸附,从而使材料的气敏性能得到提高。

半导体材料专题介绍

深圳大学考试答题纸 (以论文、报告等形式考核专用) 二○～二○学年度第学期 课程编号课程名称主讲教师评分学号姓名专业年级 题目：

目录 摘要 (4) 1.ZnO的发展历史与基本性质 (5) ZnO的发展历史 (5) ZnO的基本性质 (5) ZnO的晶体结构 (5) ZnO的物理化学性质 (6) ZnO的其他性质 (7) 紫外受激发射特性 (7) 透明导体特性 (8) 气敏性 (8) 压敏特性 (8) P-N结特性 (9) 压电特性 (9) 2.ZnO的原料的获取与提纯 (10) 原料的获取 (10) 原料的提纯 (11) 直接法（美国法） (11) 间接法（法国法） (11) 化学湿法 (12) 3.ZnO的单晶的制备 (13) 水热法 (13) 化学气相输运法 (14) 4.ZnO的薄膜的制备 (16) 脉冲激光沉积法PLD (16) 金属有机物气相外延法MOCVD (17) 喷雾热解法 (17) 磁控溅射法 (18)

溶胶-凝胶法Sol-gel (19) 5.ZnO的应用与前景 (21) 的应用方向 (21) 短波长发光材料 (21) 氮化镓薄膜的缓冲层 (22) 集成光学 (22) 电声器件与声光器件 (22) 传感器和高效率器件 (22) ZnO的问题与挑战 (23) ZnO的前景 (24) 谢辞 (25) 参考文献 (26)

摘要 氧化锌(ZnO)是一种具有广泛用途的新型第三代II-VI族多功能半导体材料，拥有着许多诸如宽禁带，激子结合能大，高化学稳定性和耐高温性等等优良性质，制备出来的ZnO单晶和薄膜在发光器件，透明电极，压敏电阻等等领域有着诸多的应用，在未来有着光明的应用前景，引起了社会各界的广泛关注。 本论文着重介绍了氧化锌半导体材料的材料来源，晶体结构，物理化学性质，单晶与薄膜的制备，具体在各个领域应用与发展和目前制备薄膜以及应用于市场所遇到的难题。 关键词：氧化锌，材料来源，晶体结构，物理化学性质，单晶，薄膜，应用，难题。

聚吡咯复合纳米纤维气敏材料的响应特性

144 气湿敏技术 计测技术!2010年第30 卷增刊 图5 Zn O 和Sn O 2能带结构及光生载流子的输运 SnO 2和ZnO 的禁带宽度分别为3 6~3 8e V 和3 2e V,由于ZnO 禁带宽度较窄,紫外光会优先将ZnO 价带中的电子激发到导带中去,产生光生电子空穴对。因为ZnO 的电子亲和能小于SnO 2,所以ZnO 导带中的电子向SnO 2导带漂移,提高SnO 2表面上的活性氧浓度,产生紫外光增感效果 [5] 。 3 结论 1)运用溶胶凝胶方法制备SnO 2 ZnO 复合薄膜。2)对薄膜进行了SE M 表征,分析其形貌特点。 3)采用紫外光激励方法实现复合薄膜近室温下工作。当ZnO,SnO 2的质量比为1?9时光照效果最佳,最 适工作温度约为35#,对乙醇气体有良好的选择性。 4)通过定性的模型,解释了紫外光增感机制。 参考文献 [1]Saura J .G as sensi ng properti es o f Sn O 2py ro lytic fil m s subjected to ultrav i o let rad iati on [J].Senso rs and A ctua tors B ,1994,17(3):211-214.[2]Co m i n i E ,F ag li a G,Sberveg li er i G.UV ligh t ac ti vation of tin ox i de th i n fil m s f o r NO 2sensi ng at low temperature [J].Sensors and A ctuators B ,2001,78(1-3):73-77.[3]Ca m agn i P ,Fag li a G,G a line tto P.Pho tosensiti v ity A cti va ti on o f Sn O 2T hin F il m G as Sensors at R oom T e m perature [J].Sen sors and A ctuators B,1996,31(1-2):99-103.[4]G ea C,X ie C ,H ub M,G ui Y H,e t a.l S tructural characteris ti cs and UV li ght enhanced gas sensitivity o f L a doped Zn O nan oparti c les [J].M ater i a ls Sc i ence and Eng i neering B ,2007,141(1-2):43-48.[5]Zakrze w ska K,R adecka M.T i O 2 SnO 2sy stem for gas sens i ng Photodegradation of org an i c con ta m i nants [J ].Th i n So lid F il m s ,2007,515(23):8332-8338. 聚吡咯复合纳米纤维气敏材料的响应特性 李扬,季善坐,杨慕杰 (浙江大学高分子系,浙江杭州 310027) 摘 要:采用静电纺丝法和气相聚合法制备了聚吡咯和聚偏氟乙烯复合纳米纤维气敏材料及气体传感器;研究对比了复合纳米纤维气敏材料与复合薄膜气敏材料对于400?10-6~3600?10-6氨气的室温响应特性。 关键词:聚吡咯;纳米复合纤维;气敏材料;气体传感器 中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:1674-5795(2010)S0-0144-02 作者简介:李扬,副教授,主要研究领域为导电高分子复合敏感材料。 0 引言 聚吡咯是一类典型的导电高分子化学传感材料,但其通常难溶难熔,加工困难,研究和应用受到限制。本文采用静电纺丝结合气相原位聚合法制备了聚吡咯复合纳米纤维气敏材料及气敏元件,解决了其加工问题,并研究了复合纳米纤维材料对氨气的响应特性。 1 聚吡咯复合纳米纤维的制备及表征 聚吡咯复合纳米纤维的制备分为两步,首先采用静 电纺丝法制得含有三氯化铁的聚偏氟乙烯(PVDF)纳 米纤维,并将其沉积在叉指金电极上。其次将覆盖有纤维的电极置于吡咯蒸汽中,在不同聚合温度下引发吡咯聚合一定时间,即获得聚吡咯/P VDF 复合纳米纤维及其气敏元件。复合纳米纤维膜的形貌以及红外光谱分别见图1和图2。可以看出复合纤维膜直径在150~300nm,具有较高的比表面积。红外光谱中在1546,963c m -1 出现聚吡咯的特征吸收峰,表明成功制备了聚吡咯/PVDF 复合纳米纤维。 2 聚吡咯复合纳米纤维的气敏响应特性 聚吡咯复合纳米纤维气敏元件与聚吡咯复合薄膜气敏元件对于不同浓度氨气的响应灵敏度曲线见图3。由图可见复合纳米纤维对于400?10 -6 ~3600?10-6 的氨

氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能研究

氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能 研究 本论文以设计零维/二维多级纳米结构、发展高效的构筑方法为重点,针对二维纳米片材料易堆叠、功能单一等问题,以金属氧化物和金属纳米晶为第二相代表,采用微波、光化学还原等化学方法构筑结构可控、组分可调的二维氧化钨、石墨烯纳米片基多级复合纳米结构材料,系统研究了气敏性能,实现了对有毒有害气体低温、低浓度检测的有效调控。首先,以插层化学法合成的二维WO3纳米片为基体,采用微波法、光化学还原法等湿化学过程在WO3纳米片表面均匀锚固贵金属、金属氧化物纳米晶等第二相,构筑“零维/二维”多级复合纳米结构,系统研究了不同类型第二相纳米晶的含量、颗粒大小、分布等参数对气敏性能的影响规律,分析讨论了相关作用机理。 主要内容如下：(1) 贵金属修饰WO3纳米片多级纳米复合材料及其低温NO 气敏性能。采用一般湿化学还原和光化学还原法分别制备了Au@WO3和Ag@WO3多级复合纳米材料,贵金属Au、Ag纳米晶的修饰显著提高了对NO气体的响应灵敏度,降低了响应温度。 锚固在WO3纳米片表面的Au和Ag纳米晶降低了WO3基材料的电阻,实现了对氧化性气体NO的低温甚至室温下的高效检测。Au纳米晶的含量、粒径和数密度对Au@WO3传感器的NO敏感性能影响较大：低含量时产生的活性位点较少,高含量时Au纳米晶数密度上升产生的连续趋势降低电阻变化程度；1wt.%Au@WO3的复合纳米晶在～170℃对0.5-10 ppm的NO表现出最佳的气敏性能。 Ag修饰WO3纳米片材料表现出类似的NO响应规律：0.5wt%Ag@WO3复合纳米晶在25-200℃对低浓度NO气体具有较高的灵敏度和选择性。基体WO3纳米晶的

1Cs-g-MMAAg导电复合材料的制备、表征及气敏性能研究

1Cs-g-MMA/Ag导电复合材料的制备、表征及气敏性 能研究 摘要：本文在硝酸铈胺-Cs为氧化-还原引发体系基础上，自由基接枝聚合途径来实现。以壳聚糖接枝甲基丙烯酸甲酯(Cs-g-MMA)为模板，次亚磷酸钠作为还原剂，利用其结构中的-NH2与Ag之间的络合作用，设计一种嵌入纳米尺寸Ag的Cs-g-MMA/Ag导电薄膜材料，采用傅里叶变换红外光谱仪、X射线粉末衍射仪、紫外-可见分光光度计和热重分析仪对Cs-g-MMA/Ag复合材料的结构进行了表征。检测了导电薄膜在各种有机蒸汽环境中对电阻响应性的影响并探讨影响薄膜导电性的因素。实验结果表明：导电薄膜在乙醚、三氯甲烷、石油醚有机蒸汽中显示正汽系数效应效应(PVC)，在四氢呋喃、甲醛、乙醇饱和有机溶剂蒸汽中显示负蒸汽系数效应(NVC)。研究表明，Cs-g-MMA/Ag导电薄膜在有机溶剂蒸汽中的响应性由溶胀理论、溶剂蒸气分子与薄膜材料之间的相互作用以及气体分子的种类和作用力的强弱所决定的。 关键词: 接枝聚合物；Ag纳米粒子；气敏响应性 前言：气敏传感器是一种很重要的化学传感器，它在环境检测、农业、工业生产以及生物医学等方面有着广泛的应用[1]。尤其是高分子复合气敏材料备受化学研究者的重视，相比无机半导体材料和有机金属材料，高分子复合气敏材料成本低廉，制作简单，可通过选择不同的大分子链结构对其改性，获得不同的物理化学传感

器，提高其对汽体响应的灵敏度，最重要的可以在室温下使用[2]。因此导电高分子复合材料已成为气敏材料研究的新方向。壳聚糖中含有-CONH、- NH2基团易改性[3-7]。壳聚糖与甲基丙烯酸甲酯的共聚物不仅是一类非常有用的改性纤维，而且也可以制备成导电高分子纳米复合材料，应用于气敏传感器[8-10]。本文利用四价铈离子与带醇羟基的壳聚糖组成氧化还原体系，引发甲基丙烯酸甲酯在壳聚糖表面自由基接枝聚合，制备新型的CS-g-MMA/Ag导电复合材料，研究了该复合材料的气敏特性。 1 实验部分 1. 1.制备CS-g-MMA/Ag导电复合材料所用材料和试 剂 壳聚糖, 化学纯（平均分子量为10万）, 山东海之源有限公司; 甲基丙烯酸甲酯, 分析纯, 天津市科蜜欧化学试剂有限公司; 硝酸铈铵 (CAN), 分析纯, 上海三浦化工有限公司; 次亚磷酸钠, 分析纯, 天津市博迪化工有限公司; 硝酸银, 分析纯, 天津市科蜜欧化学试剂开发中心; 四氢呋喃、三氯甲烷、乙醚、甲醛、丙酮、石油醚均为分析纯，天津化学试剂有限公司。 1. 2.实验表征所用仪器 采用美国Nicolet Nexus 470傅立叶转换红外光谱仪( FT-IR) 对样品的化学结构进行分析。X射线粉末衍射仪，XRD-7000, 日本

半导体行业常用气体介绍

半导体常见气体的用途1、硅烷（SiH4）：有毒。硅烷在半导体工业中主要用于制作高纯多晶硅、通过气相淀积制作二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、多晶硅隔离层、多晶硅欧姆接触层和异质或同质硅外延生长原料、以及离子注入源和激光介质等，还可用于制作太阳能电池、光导纤维和光电传感器等。 2、锗烷（GeH4）：剧毒。金属锗是一种良好的半导体材料，锗烷在电子工业中主要用于化学气相淀积，形成各种不同的硅锗合金用于电子元器件的制造。 3、磷烷（PH3）：剧毒。主要用于硅烷外延的掺杂剂，磷扩散的杂质源。同时也用于多晶硅化学气相淀积、外延GaP材料、离子注入工艺、化合物半导体的MOCVD工艺、磷硅玻璃（PSG）钝化膜制备等工艺中。 4、砷烷（AsH3）：剧毒。主要用于外延和离子注入工艺中的n型掺杂剂。 5、氢化锑（SbH3）：剧毒。用作制造n型硅半导体时的气相掺杂剂。 6、乙硼烷（B2H6）：窒息臭味的剧毒气体。硼烷是气态杂质源、离子注入和硼掺杂氧化扩散的掺杂剂，它也曾作为高能燃料用于火箭和导弹的燃料。 7、三氟化硼（BF3）：有毒，极强刺激性。主要用作P型掺杂剂、离子注入源和等离子刻蚀气体。 8、三氟化氮（NF3）：毒性较强。主要用于化学气相淀积（CVD）装置的清洗。三氟化氮可以单独或与其它气体组合，用作等离子体工艺的蚀刻气体，例如，NF3、NF3/Ar、NF3/He用于硅化合物MoSi2的蚀刻；NF3/CCl4、NF3/HCl既用于MoSi2的蚀刻，也用于NbSi2的蚀刻。

9、三氟化磷（PF3）：毒性极强。作为气态磷离子注入源。 10、四氟化硅（SiF4）：遇水生成腐蚀性极强的氟硅酸。主要用于氮化硅（Si3N4）和硅化钽（TaSi2）的等离子蚀刻、发光二极管P型掺杂、离子注入工艺、外延沉积扩散的硅源和光导纤维用高纯石英玻璃的原料。11、五氟化磷（PF5）：在潮湿的空气中产生有毒的氟化氢烟雾。用作气态磷离子注入源。 12、四氟化碳（CF4）：作为等离子蚀刻工艺中常用的工作气体，是二氧化硅、氮化硅的等离子蚀刻剂。 13、六氟乙烷（C2H6）：在等离子工艺中作为二氧化硅和磷硅玻璃的干蚀气体。 14、全氟丙烷（C3F8）：在等离子蚀刻工艺中，作为二氧化硅膜、磷硅玻璃膜的蚀刻气体。 半导体工业常用的混合气体 1、外延（生长）混合气：在半导体工业中，在仔细选择的衬底上选用化学气相淀积的方法，生长一层或多层材料所用的气体叫作外延气体。常用的硅外延气体有二氯二氢硅（）、四氯化硅（）和硅烷等。主要用于外延硅淀积、氧化硅膜淀积、氮化硅膜淀积，太阳能电池和其它光感受器的非晶硅膜淀积等。外延是一种单晶材料淀积并生长在衬底表面上的过程。常用外延混合气组成如下表：