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传感器与微系统 2023年第2期42卷 5-8,12页

作者：蒋梦琳卢治中周鑫磊李克杰张涛蒋文凯台州职业技术学院中德学院浙江台州318000 铂瑞赛斯仪器科技(嘉兴)有限公司浙江嘉兴314100

以金属氧化物为主的传统半导体气体传感器存在诸如工作温度高、功率大、灵敏度低、抗干扰能力差和选择性差等问题。本文研究利用金属酞菁(MPc,分子直径约1.3 nm)和碳点(CDs,直径分布在1~10 nm)尺寸级别相似,容易构建共轭平面结构,实现... 详细信息

以金属氧化物为主的传统半导体气体传感器存在诸如工作温度高、功率大、灵敏度低、抗干扰能力差和选择性差等问题。本文研究利用金属酞菁(MPc,分子直径约1.3 nm)和碳点(CDs,直径分布在1~10 nm)尺寸级别相似,容易构建共轭平面结构,实现电荷在材料内快速转移,从而实现传感器对特定气体分子的室温超灵敏响应。本文通过L-谷氨酸水热合成CDs,与四羧基钴酞菁(CoPc-COOH)复合,并在带有叉指电极的硅片上成膜组装成传感器件。该传感器在室温工作下对5×10^(-5)的NO_(2)气体在100 s内响应值可以达到12.3,在激光辅助恢复的前提下,具有良好的重复性、最低检测极限和长期稳定性。该成果对于以有机半导体和碳纳米材料为基底的气体传感器发展提供了一条新的思路。

关键词：二氧化氮气体传感器室温检测金属酞菁碳点激光辅助恢复

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基于单层石墨烯材料的气体传感器研究

基于单层石墨烯材料的气体传感器研究

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作者：闫鑫天津大学

学位级别：硕士

石墨烯的成功制备打破了传统理论认为二维晶体材料由于热涨落不能稳定存在的预言,极大地鼓舞了科研人员对石墨烯的研究热情,推动了低维纳米科学技术的进展。石墨烯具有优异的电学性质、独特的能带结构、超高的载流子迁移率、良好的导热... 详细信息

石墨烯的成功制备打破了传统理论认为二维晶体材料由于热涨落不能稳定存在的预言,极大地鼓舞了科研人员对石墨烯的研究热情,推动了低维纳米科学技术的进展。石墨烯具有优异的电学性质、独特的能带结构、超高的载流子迁移率、良好的导热性和极高的机械强度等特点。因此,它在材料、物理、化学、生物、能源和信息等诸多领域有着巨大的应用前景。近年来,为了治理大气污染问题,保障人类的生存和健康,在实际生活中实时的环境监测变得越来越重要。由于石墨烯具有超高的载流子迁移率、超高的比表面积和极低的电阻率等优异性质,所以石墨烯材料在气体传感器领域的应用也是研究的热点问题。虽然现在对于石墨烯的研究已经有了很大的进展,但无论在生长机制的研究上,还是在气体传感器的应用上仍然有许多关键性的问题亟需解决。本文以化学气相沉积法制备石墨烯薄膜为基础,对CVD石墨烯气体传感器的气敏性质进行研究。本文的主要内容和研究结果有以下几个方面:在石墨烯薄膜的生长方面,我们系统研究了温度、时间和气体配比等因素对石墨烯薄膜质量的影响。通过对生长工艺的优化,最终制备出了大面积高质量的单层石墨烯。我们进一步将制备出的石墨烯转移至Si O/Si衬底上,利用微纳加工技术将石墨烯加工成气体传感器。根据气敏传感测试的需求,我们设计并搭建了气敏测试平台。该平台主要包括多浓度气体配置系统、测试腔和数据的采集及处理。目前,该平台可配置的目标气体浓度范围为10ppb-1%,样品台的温度控制范围为室温到150℃,并在测试腔中配置了波长为265nm、310nm、365nm和405nm的紫外LED灯,用于研究光照对传感性能的影响。我们对CVD石墨烯气体传感器进行了测试和分析,主要包括响应-恢复、重复性、稳定性等。研究表明在紫外辐照下器件的响应提升了七倍。同时,紫外辐照降低了器件的探测极限,缩短了恢复时间,因此器件有着良好的稳定性和重复性。最后,我们对其气敏响应机理也做出了初步探讨,进而探寻了石墨烯在气体传感器领域潜在应用的可能性。

关键词：化学气相沉积石墨烯二氧化氮气体传感器传感性能紫外辐照传感机理

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柔性OTFT气体传感器的制备及特性研究

柔性OTFT气体传感器的制备及特性研究

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作者：杨静电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,各种不同的气体传感器源源不断地出现,如电阻型、场效应晶体管型、石英晶体微天平型。其中有机薄膜晶体管具有质轻、价廉、与柔性基底兼容等优点,已成为广大研究者关注的热点,并广泛应用在传感器、智能卡、显示背板等领域。有机... 详细信息

近年来,各种不同的气体传感器源源不断地出现,如电阻型、场效应晶体管型、石英晶体微天平型。其中有机薄膜晶体管具有质轻、价廉、与柔性基底兼容等优点,已成为广大研究者关注的热点,并广泛应用在传感器、智能卡、显示背板等领域。有机薄膜晶体管作为气体传感器还具有灵敏度可调和多参数(包括载流子迁移率、开关电流比、阈值电压等)测量等优点,在气体传感领域有重要地位。一般有机薄膜晶体管气体传感器都是制备在玻璃衬底上或硅衬底上的,因此不能弯曲更不能应用于柔性电子设备中。同时,制备有机薄膜晶体管广泛采用的真空蒸镀技术增加了制备成本和复杂性。因此十分需要具有良好柔韧性、低成本、优良气敏特性的有机薄膜晶体管气体传感器。本文采用溶液制备工艺,在柔性PEN-ITO导电薄膜制备了柔性OTFT气体传感器,用于室温检测二氧化氮,主要研究内容如下:1.制备并研究了柔性OTFT二氧化氮气体传感器,其中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在PEN-ITO导电薄膜上作为绝缘层,气喷制备的聚三己基噻吩(P3HT)薄膜为有源层。研究了PMMA溶液浓度(绝缘层厚度)、P3HT溶液气喷量(有源层厚度)、弯曲次数对器件电学性能和气敏性能的影响。通过参数优化得到载流子迁移率为9.51×10 cm/Vs、对NO灵敏度为0.169 ppm、高选择性的柔性OTFT气体传感器(气喷量1 ml,PMMA浓度30 mg/ml)。但柔性OTFT气体传感器在ε=0.23%的拉伸应力作用下弯曲500次后对NO的响应从12.9逐渐减小到了1.32,机械柔韧性亟需提高。2.制备并研究了以P3HT和石墨烯的复合薄膜或分层薄膜为有源层的柔性OTFT二氧化氮气体传感器。研究了P3HT-石墨烯复合薄膜的质量比和气喷量、不同薄膜结构、弯曲次数对器件电学性能和气敏性能的影响。结果表明分层薄膜器件的电学性能更佳,而复合薄膜器件的气敏性能更佳。石墨烯的比表面积大,掺杂后提高了器件对二氧化氮的响应。P3HT与石墨烯质量比为240:1、气喷量为1 ml的复合薄膜器件对NO灵敏度为0.0609 ppm,具有良好重复性,在ε=0.23%的拉伸应力作用下弯曲500次后气敏响应仅减小了30%,相对未掺杂器件的机械柔韧性有一定提高。本文提供了一种制备低成本柔性OTFT气体传感器的方法,也许可将其集成在柔性电子设备上用于空气质量的检测。

关键词：柔性OTFT 二氧化氮气体传感器 P3HT 石墨烯 PMMA

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掺杂及构建异质结改善ZnO纳米阵列的气敏性能的研究

掺杂及构建异质结改善ZnO纳米阵列的气敏性能的研究

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作者：孙凯海南大学

学位级别：硕士

氧化锌(ZnO)基气体传感器由于其成本低廉,制备方便,使用便捷等优点,在日常空气监测、室内空气环境监测及工业工艺场景监测等多个领域中都有广泛的应用,但是由于ZnO基气体传感器工作温度较高导致器件的功耗较大,并且对亚痕量级别浓度的... 详细信息

氧化锌(ZnO)基气体传感器由于其成本低廉,制备方便,使用便捷等优点,在日常空气监测、室内空气环境监测及工业工艺场景监测等多个领域中都有广泛的应用,但是由于ZnO基气体传感器工作温度较高导致器件的功耗较大,并且对亚痕量级别浓度的气体灵敏度不高,这使得ZnO基气体传感器在目前很多新的自动化、低功耗的智能环境监测场景中的使用受到限制。如何优化气敏材料使其能更加贴近实际使用对其性能的需求就成了目前气体传感器领域内研究者们关注的重点。基于这样的研究背景,本论文完成了以下几项工作,为ZnO基气体传感器的性能优化提出了一些有效的解决方案:1)通过一锅水热法成功构建了铈(Ce)掺杂ZnO纳米结构阵列(称为CZO),并进一步证明是一种很有应用前景的二氧化氮(NO)化学电阻传感材料。Ce掺杂不仅改变了初始ZnO纳米阵列的形貌,而且还带来了丰富的氧空位,扫描电子显微镜(SEM)和电子自旋共振波谱(ESR)得到了充分的证明。在250℃工作温度下的气体传感测试显示,与初始的ZnO纳米阵列相比,CZO-2(Ce wt%=2%)对NO高于纯ZnO 10倍的传感响应值和更低的检测限(LOD=1.4ppb)。除了对NO高灵敏度之外,所制备的气敏材料还有着出色的选择性和长期稳定性。同时,密度函数理论计算结果表明,受氧空位调节的ZnO对NO的亲和力比纯ZnO强得多,从而提高了CZO-2的传感性能。2)构建了CeO/ZnO异质结纳米棒阵列化学电阻传感器并研究了所制备传感器的低工作温度气体检测特性。采用阳极电沉积和水热反应合成,制备了CeO/ZnO异质结纳米棒阵列。基于这种CeO/ZnO异质结的传感器在低工作温度(120℃)下对NO的灵敏度比纯氧化传感器高得多。此外,即使在室温(RT,25℃)下,CeO/ZnO异质结传感器对表现出对NO线性快速的响应。该传感器对干扰气体的响应值明显低于NO,表明其具有特殊的选择性。实验结果表明,在较低的工作温度下,CeO/ZnO异质结构建后形成的内建电场使其气敏性能增强,为ZnO提供了额外的载体。由于在ZnO导带中有更多的载流子,吸附更多的氧气(O)和目标气体。为CeO/ZnO异质结基的气体传感器在低工作温度下的气敏性能提高提供了理论解释依据。

关键词：氧化锌二氧化氮气体传感器氧空位调控铈掺杂异质结

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