纳米ZnO气敏传感器的研制

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1、纳米ZnO气敏传感器的研制开题报告姓名：史雯萍 班级：09环境A2 学号：指导教师：袁昊是否为毕设预备课题： 是； 不是（请打） 摘 要：ZnO是具有宽带隙和优良光电，压电等性能的半导体材料，且化学稳定性高，在功能器件的研制中具有广泛的用途，因而受到人们越来越多的重视，作为气敏材料，ZnO是最早被发信的气敏材料之一。研究结果显示：贵金属纳米晶可以显著提高单晶ZnO纳米线的灵敏度和选择性，并且能够有效降低对目标气体的检测下限（检测下限可达ppb级）。这项研究为半导体气体传感器性能的改善提供一条全新的思路。关键词：氧化锌；贵金属；修饰；气体传感器一、研究内容以液相法制备的单分散贵金属纳米晶为原料，

2、对单晶ZnO纳米线进行异质自组装。在不同的条件下，对贵金属纳米晶修饰的一维ZnO纳米材料进行气敏性能测试。在研究该组装体系气敏性能的基础上，得到了具有高灵敏度、高选择性、高稳定性，并且具有低检测下限的性能优越的气体敏感材料。图1 Au纳米晶的TEM图二、技术路线本实验是通过贵金属纳米晶的修饰来提高ZnO纳米线的气敏性能：经过Pd纳米晶修饰之后的ZnO对H2S气体的选择性非常良好，而且还将对H2S气体的检测下限降低至200ppb；经过Pt纳米晶修饰后的ZnO纳米线，显著提高了对酒精和甲醛气体的响应，可以检测浓度低至250ppb的酒精和1ppm的甲醛气体。Au纳米晶修饰ZnO纳米线后提高了对酒精和

3、一氧化碳的灵敏度和检测下限。同时并采用单分散的贵金属纳米晶修饰的方法可以显著提高半导体金属氧化物的气敏性能，这将为以后提高半导体金属氧化物气敏材料的性能提供新的道路。实验结果表明, Ru 的掺杂可提高ZnO 的气体灵敏度, 催化剂涂层的施加可改善Ru2ZnO 对汽油、乙醇、丁烷的气敏选择性。并适当降低ZnO 的工作温度。通过贵金属纳米晶的修饰，可以显著提高金属氧化物纳米线的气敏性能，进而开发高灵敏度、高选择性、高稳定性的优质气体传感器。三、文献综述从性能上来说它是半导体加压电体，而且还是光电材料；从物理上来说，它是一个应用于自旋电子学的材料；从生物上来说，它是无毒性的、生物可降解的；更重要的是

4、，从纳米结构上来说，它是可塑性非常好的一个材料，可以做成各种各样的形态，有极大和半导体工业结合起来的优势1-4。为气敏材料来讲，ZnO是一种研究时间较长、应用水平较高的半导体氧化物气敏材料，它主要利用材料表面吸附气体后电阻值发生变化的原理来检测气体，具有测量范围广泛、灵敏度高、响应恢复时间快，寿命长等优点，尤其是成本低、制作简便、工艺成熟、使用维修方便。为了提高半导体气体传感器的灵敏度，人们普遍使用具有纳米尺寸的氧化物作为敏感材料，但是由于传统的纳米颗粒气敏材料一般是多孔、多晶材料，在传感器的使用过程中容易发生晶体生长、颗粒团聚、产生裂纹，导致传感器的灵敏度变化和稳定性下降5-8。为此，开发比

5、表面大、结晶度高、不易团聚的新型纳米材料或采用新的器件结构，解决气体传感器的稳定性差和功耗高问题成为半导体气体传感器进一步的发展方向。近年来，由于金属氧化物纳米线在介观物理、合成化学和纳米尺寸元件制备中具有独特的应用前景和研究价值，已成为当前纳米材料领域的国际研究前沿与热点9-11。与传统的纳米材料相比，一维纳米材料不仅具有独特的物理、化学和力学性能，而且可以作为纳米器件与纳米系统的连接导线，在纳米器件和系统的构建中显现出更加重要的地位。研究发现，单根的氧化物纳米线可用于制作气体传感器。例如Wang等利用微电子机械系统（MEMS）技术将其合成的ZnO纳米线制作成气体传感器，并用于酒精气体的测试

6、12。该传感器具有良好的酒敏性能，检测浓度可以低至1ppm。此外，徐甲强课题组也利用合成的ZnO纳米线、纳米棒以及晶须用于气敏元件制作，可以用来检测酒精和氨气等气体13-14。单分散Pd纳米晶的合成方法类似于文献1、3、4；用移液管移取5mL的乙二醇（EG）在15mL的三颈瓶中于110下回流1h, 然后称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和氯化钯（PdCl2），分别溶于5mL的EG中，待溶解完全后，以缓慢的速度滴加至三颈瓶中，反应9h待溶液变成灰色后，分别用丙酮、去离子水洗涤干净，60下真空干燥，即可得到Pd纳米晶。为了便于比例可控的组装，将其配置成一定浓度的液体溶胶，由此，可以得出，0.5%

7、是Pd纳米晶在ZnO纳米线表面的最佳修饰量。单分散Pt纳米晶的合成方法类似于文献1、3、5；称取一定量的PVP溶于7mL的EG溶液中，然后将上述溶液转移入15 mL的三颈瓶中，于160下回流10min，然后再称取一定量的氯铂酸（H2PtCl6），溶于1mL的EG中，待溶解完全后，滴加至三颈瓶中，反应3-4min待溶液变成黑色后，分别用丙酮、去离子水洗涤干净，60下真空干燥，即可得到Pt纳米晶。为了便于比例可控的组装，将其配置成一定浓度的液体溶胶，可以的得出Pt纳米晶也可以用于改善ZnO纳米线的气敏性能。而对于Pt纳米晶修饰后的ZnO纳米线对不同气体的选择性不如Pd纳米晶修饰后的ZnO纳米线，可

8、能是因为Pt的增敏机制是属于化学敏感型，即贵金属Pt只是作为催化剂来起作用。表1 ZnO纳米线表面的Pd纳米晶密度与气敏性能关系Pd纳米晶的修饰量0.0%0.3%0.5%1.0%气敏性能21.8342.5732.1497.84、 本课题目前研究进展制备的这种结构的气敏元件, 首先用化学沉淀法合成了纯ZnO微细粉，用浸渍法合成了Ru2ZnO气敏材料及Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Pt 等Al2O3 基催化剂。采用静态配气法测试了ZnO单层膜及双层膜旁热式气敏元件的敏感特性。实验结果表明， Ru的掺杂可提高ZnO的气体灵敏度, 催化剂涂层的施加可改善Ru2ZnO 对汽油、乙醇、丁烷的气敏选择性。通

9、过贵金属纳米晶的修饰可以显著提高ZnO纳米线的气敏性能：经过Pd纳米晶修饰之后的ZnO对H2S气体的选择性非常良好，而且还将对H2S气体的检测下限降低至200ppb；经过Pt纳米晶修饰后的ZnO纳米线，显著提高了对酒精和甲醛气体的响应，可以检测浓度低至250ppb的酒精和1ppm的甲醛气体。Au纳米晶修饰ZnO纳米线后提高了对酒精和一氧化碳的灵敏度和检测下限。并适当降低ZnO的工作温度。并采用单分散的贵金属纳米晶体对ZnO纳米线进行修饰，获得对贵金属纳米晶体组装规律的认识。采用单分散的贵金属纳米晶修饰的方法可以显著提高半导体金属氧化物的气敏性能，这将为以后提高半导体金属氧化物气敏材料的性能提供

10、新的道路。在研究该组装体系气敏性能的基础上，得到具有高灵敏度、高选择性、高稳定性，并且具有低检测下限的气体敏感材料，这将为以后提高半导体金属氧化物材料性能提供了新思路。参考文献 【1】. Z. L. Wang, J. H. Song, Science 312 (2006) 242-246. 【2】. M. L. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Q. Yan, Y. Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo, P. D. Yang, Science 292 (2001) 1897-1899. 【3】. J. Zhou, N. S. Xu, Z.

11、 L. Wang, Adv. Mater 18 (2006) 2432-2435. 4王中林, 纳米科技 (Expert Forum) 3 (2006) 5-12.）【4】. 徐甲强，张全法，范福玲，传感器技术，哈尔滨工业大学出版社.【5】. M. L. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Q. Yan, Y. Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo, P. D. Yang, Science 292 (2001) 1897-1899.【6】. J. Zhou, N. S. Xu, Z. L. Wang, Adv. Mater 18 (2006)

12、 2432-2435.【7】. J. Q. Xu,; Y. Zhang,; Y. P. Chen,; Q. Xiang,; Q. Y. Pan,; L. Y. Shi, Mat. Sci. Eng. B 150 (2008) 150, 55.【8】. N. Yamazoe, Sens. Actuators, B 5 (1991) 7.【9】. Xu, C. N.; Tamaki, J.; Miura, N.; Yamazoe, N. J. Electrochem. Soc. 143 (1996) L148.【10】. S. R. Morrison, Sens. Actuators 12 (19

13、87) 425.【11】. Q. Wan, Q. H. Li, Y. J. Chen, T. H. Wang, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3654-3656.【12】. J. Q. Xu, Y. P. Chen, D. Y. Chen, J. N. Shen, Sens Actuators B 113 (2006) 526-531. 【13】. J. Q. Xu, Y. P. Chen, J. N. Shen, J. Nanosci. Nanotechnol. 6 (2006) 248-253.【14】. Labidi, A.; Gillet, E.; Delam

14、are, R.; Maaref, M.; Aguir, K. Sens. Actuators, B 120 (2006) 338.附：外文翻译1.翻译题目（中英文）中文：纳米ZnO气敏传感器的研制英文：Nanometer ZnO gas sensor2.英文摘要One dimension (1D) nanoscale materials have stimulated great interest in current materials science due to their importance in such basic scientific researches and potent

15、ial technology applications as microelectronic devices, chemical and biological sensors, light-emitting displays, catalysis, energy conversion and storage devices. In this dissertation, Zinc oxide (ZnO), a typical semiconductor, was used as my research objects. Valuable explorations have been carrie

16、d out on the self-assemblies of ZnO nanowires as well as their gas sensing properties. Single-crystalline ZnO nanowires were modified with noble metal nanoparticles through self-assemblies for constructing gas sensors with excellent performances. The devices built with noble metal nanoparticle modif

17、ied ZnO nanowires exhibit not only high stability attributed to ZnO nanowires, but also highly enhanced response from ppm to ppb level, because of the monodisperse noble metal nanoparticles-promoters. The self-assembly strategy shows advantages of easily controlling the amount of noble metal nanopar

18、ticles decorated on the surfaces of nanowires and further tuning the functionalities of gas sensors. The high stability, response and selectivity of our gas sensors indicate that it is a convenient and powerful pathway to build chemical sensors with tunable functionalities through self-assemblies of

19、 nanosized building blocks.3.中文摘要一维纳米材料由于其独特的光、电、磁、敏感及机械性能，是研究电子运输行为、光学特性和力学性能等物理性质的尺寸和维度效应的理想系统，在构筑纳米电子和光电子器件的进程中充当着非常重要的角色。本论文以典型的半导体材料氧化锌（ZnO）为研究对象，制备出单晶的一维ZnO纳米材料，并研究了其气敏性能。为了进一步提高该材料的气敏性能，还对其进行了贵金属纳米晶的修饰，得到了结构新颖的贵金属修饰的ZnO纳米线。研究了贵金属纳米晶修饰的ZnO纳米线的气敏性能。研究结果显示：贵金属纳米晶可以显著提高单晶ZnO纳米线的灵敏度和选择性，并且能够有效降低对目标气体的检测下限（检测下限可达ppb级）。这项研究为半导体气体传感器性能的改善提供一条全新的思路。