基于中空结构ZnO纳米材料的光电甲醛气敏性能研究

作     者：时林其 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林艳红

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：光电气敏 ZnO 甲醛 表面光电压 瞬态光电压 光生电荷载流子 

摘      要：在日常生活中,广泛存在于室内装修材料以及衣服布料内的甲醛会造成室内空气甲醛超标的严峻问题,这是导致病态建筑综合症(Sick Building Syndrome,SBS)的主要原因。研究表明经常性地处于低浓度甲醛环境中会对人体造成极大的伤害,如诱发性呼吸道疾病、基因突变、鼻咽癌、脑瘤、妊娠综合症等,尤其是对于孕妇和幼儿来说,甲醛的危害更大,这不仅给家庭造成巨大的痛苦,也给社会带来沉重的负担。近些年,检测甲醛的方法主要有分光光度法、色谱法、示波极谱法、比色法、电化学方法以及新兴的电阻型金属氧化物半导体传感器检测法,其中,在室温下以紫外光为激发源的金属氧化物半导体光电气敏检测法因能耗低、操作安全系数高、易实现小型化和智能化等优点在检测甲醛方面不断得到重视。科研工作者通过合成不同特性的氧化物半导体发现材料的晶粒尺寸、形貌和光生电荷载流子分离及传输效率等是影响氧化物半导体气敏传感器检测响应度和选择性的重要因素。因为ZnO具有合适的禁带宽度(3.37 eV)和优异的电导性,所以本文采用ZnO为主体材料,通过降低ZnO晶粒尺寸、合成具有大比表面积的多孔中空ZnO材料和构筑SnO2-ZnO异质结构改善ZnO材料的光电性能,提高ZnO材料检测甲醛的气敏响应度。本论文的研究内容主要为以下两个方面:(1)利用温和油浴法成功制备了具有较小晶粒尺寸、较高孔隙率和较大比表面积的中空多孔结构ZnO(中空多孔Zn O)纳米材料。紫外可见光吸收测试显示中空多孔Zn O可以有效地利用紫外光,通过对比商品ZnO、棒花状ZnO和片花状ZnO纳米材料,中空多孔ZnO对甲醛表现出更加优异的气敏响应度和选择性。经过对样品进行表面光电流的测试发现,中空多孔ZnO较大的比表面积和孔隙率不仅提高了甲醛在中空多孔ZnO表面的扩散和吸附,并且提供了更多的表面活性位点促进材料表面的催化反应,使得大量被表面活性氧(-)捕获电子重新释放回材料体相形成电流。(2)通过水浴法将不同摩尔质量的SnO2成功负载在ZnO材料上,通过对复合样品进行SEM和BET的测试证明所有样品均属于多孔中空结构且具有较大的比表面积,同时从样品的TEM结果可以观察到1%SnO2-ZnO中有SnO2-ZnO异质结的存在。样品对甲醛的气敏测试显示1%SnO2-Zn O样品对甲醛具有最优异的响应度,另外1%SnO2-ZnO样品对低浓度甲醛(0.1 ppm)也具有较好的灵敏度。本文借助表面光电压技术和瞬态光电压技术研究了1%SnO2-ZnO样品的电荷微观动力学特性,实验发现1%SnO2-ZnO样品不仅可以有效地使光生电荷载流子分离而且促进了电子在材料体相的传输,而过量的SnO2负载如10%SnO2-Zn O样品虽然提高了光生电荷载流子的分离效率,但严重阻碍了电荷在体相的传输,降低了材料对甲醛的气敏响应度。本章这通过对实验机理的探讨,为以后寻找最优负载量提供了理论基础。