In2O3基高选择性气体传感器的研究

作     者：张宁芮 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹静

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：金属氧化物半导体气体传感器 带隙 相结构 费米能级 丙酮 甲醛 乙醇 

摘      要：气体传感器因其价格低廉,制作工艺简单,灵敏度高,稳定性好等优点被广泛应用于工业检测,环境监控,医学诊断等方面。目前商业化金属氧化物半导体气体传感器的选择性制约着金属氧化物半导体气体传感器的实际应用。为了解决金属氧化物半导体气体传感器选择性低的缺陷,本论文系统地研究了InO电子结构、晶相结构是如何影响气敏性能,为设计高选择性金属氧化物半导体气体传感器提供新思路。本文的主要研究内容如下:(1)通过改变反应条件中尿素的量,制备一系列带隙不同的InO分级球体(HS)样品。实验显示,InO-0.05 HS在低温(180℃)下对甲醛表现出极好的选择性。随着反应溶剂-尿素的增加,样品对甲醛的选择性下降,但对乙醇的敏感性增加,此外紫外-可见吸收光谱测试和对不同样品的反应机理结果表明,反应条件中尿素量的变化改变了能隙,导致传感器对丙酮和甲醛的选择性差异,表明了带隙和传感性能之间存在明显的联系。(2)通过制备不同形貌的纳米纤维(InONF)和花状纳米纤维(InOFNF),深入研究不同相结构是如何改变气体传感性能的。实验显示,InONF在180℃下对100 ppm丙酮气体具有良好的选择性、优异的敏感性、同时具有高灵敏度(72)和超快的响应速度(1 s)。而InOFNF在180℃下对甲醛气体的选择性和气体敏感性明显增强,比InONF的灵敏度高14.3倍。这种独特性可以归因于相结构的变化引起了化学吸附氧物种的氧化能力的差异,从而影响了气体选择性的差异。(3)构建p-n异质结通常被认为是提高纳米材料气体传感性能的一种有效方法。通过制备InO/CoO核/壳分层异质结构(InO/CoOHHS),研究了构建p-n异质结是如何通过改变费米能级来提高气体传感性能的。实验表明InO/CoOHHS在180℃时对甲醛气体具有良好的选择性、优异的气敏性能和高响应。本论文通过三个实验证明了带隙的变化、样品的相结构和费米能级都可以间接导致气体传感器对气体的选择性差异,为设计高选择性气体传感器提供了新思路。