光照对金属氧化物气敏效应的影响研究

作     者：何静 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡季帆

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：光照 金属氧化物 气敏效应 

摘      要：随着经济的发展和人们生活水平的提高,人们越来越重视对各种污染的治理,其中对污染气体的检测就显得尤为重要。乙醇、丙酮等溶剂会危害人的神经系统,使人产生神经障碍;甲醇会使人丧失味觉和患皮肤病;甲醛会致癌。同时,这些有机溶剂具有易挥发易燃烧等特性,遇到明火容易发生爆炸,引发安全事故。因此,对于这些气体的检测是解决气体污染问题、保障人们身体健康和维护人类生命安全的重要基础。迄今为止,金属氧化物气敏传感器是应用规模最大的一类传感器,金属氧化物材料因具有制备简单、成本低廉等优点而倍受研究人员青睐。本论文探讨了半导体金属氧化物微型平面叉指电极气敏传感器对乙醇、丙酮和乙酰丙酮的气敏特性,以及在光照条件下金属氧化物气敏性能的改变。主要工作成果如下:1.采用溶胶-凝胶法制备了一系列Ni掺杂SnO2的材料。我们对材料进行XRD结构表征,发现随着Ni原子的掺入,衍射峰并没有出现偏移,说明在材料中少量掺杂Ni并没有影响到SnO2的晶格结构。通过SEM测试可知,这些材料由不规则条状和块状混合组成,平均颗粒尺寸约为200nm。通过XPS图谱可知,5%Ni-SnO2由Ni、Sn、O和C四种元素组成。在氧元素中,吸附氧占比为61.7%,晶格氧占比为38.2%。3%Ni-SnO2、5%Ni-SnO2和7%Ni-SnO2纳米材料传感器在190℃时对30 ppm乙酰丙酮气体的响应分别是7.44、11.60和5.90。SnO2传感器在工作温度为200℃时对30 ppm乙酰丙酮气体的响应是9.66。通过材料的紫外可见吸收光谱可知,纳米SnO2的带隙为3.55 eV,5%Ni-SnO2的带隙为3.15 eV,可以吸收波长小于393 nm的光。5%Ni-SnO2的带隙比纳米SnO2的带隙小可能源于杂质能带的产生。5%Ni-SnO2传感器对乙酰丙酮气体和丙酮气体有很好的响应,当气体浓度为30 ppm时,5%Ni-SnO2传感器对这两种气体的最佳检测温度分别是190℃和230℃,对应的响应值分别为11.60和11.41。5%Ni-SnO2传感器在365 nm紫外光照射下,对30 ppm乙酰丙酮气体的最佳响应温度从190℃降低到180 ℃,对30 ppm乙酰丙酮气体的响应大小从无光(190℃)时的11.60增加到了 365 nm紫外光(180℃)照射下的16.58。对5%Ni-SnO2传感器进行连续70天的测试之后,在180℃、365 nm的紫外光照射下,5%Ni-SnO2传感器的响应大小始终维持在16附近;在190℃、无光条件下,5%Ni-SnO2传感器的响应也始终维持在11左右保持不变。2.采用溶胶-凝胶法制备了 TiO2材料和摩尔比Zn:Ti=1:2的Zn-TiO2材料。通过XRD测试可知,Zn-TiO2材料中的Zn以六角纤锌矿型ZnO的形式存在,Ti以锐钛矿型TiO2的形式存在。通过SEM测试可知,经过不同温度退火后的材料呈不规则的球形形状。400℃退火后的材料纳米颗粒结晶性最好,纳米颗粒最小,晶粒尺寸在30 nm左右。之后我们对Zn-TiO2材料进行XPS测试,发现材料由Zn、Ti、O和C四种元素组成,没有其他杂质。在氧元素中,吸附氧占比为48.6%,晶格氧占比为51.4%。当退火温度为400℃时,TiO2传感器和Zn-TiO2传感器的气敏性能最好,对30 ppm丙酮气体的最佳工作温度分别为200℃和190℃,对应的响应值分别为10.04和14.27。用紫外可见分光光度计测量了 400℃退火后的TiO2材料和Zn-TiO2材料的带隙,带隙大小分别为3.14 eV和2.89 eV,ZnO的禁带宽度为3.2-3.4eV。Zn-TiO2的带隙比TiO2的带隙小,这可能是因为经过掺杂后可能形成了杂质能带,使得带隙减小。带隙大小为3.14 eV的TiO2材料可以吸收波长小于394 nm的光,带隙大小为2.89 eV的Zn-TiO2材料可以吸收波长小于429 nm的光。用波长为365 nm和420 nm的光照射400℃退火后的传感器,发现Zn-TiO2传感器对30 ppm丙酮气体的最佳工作温度由无光时的190℃降低到了 180℃,对应的响应值由无光(190℃)时的10.04分别增加到了 365 nm(180℃)光照时的17.20和420 nm(180℃)光照时的16.38。180℃时,在365 nm紫外光和420 nm光照射下,Zn-TiO2传感器对浓度为5 ppm的丙酮气体的响应值由无光(190℃)时的4.91分别提升到了5.43(180℃)和5.42(180℃);Zn-TiO2传感器对浓度为10 ppm的丙酮气体的响应值由无光(190℃)时的6.52分别提升到了 7.41(180℃)和6.99(180℃);Zn-TiO2传感器对浓度为50 ppm的丙酮气体的响应值由无光(190