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过渡金属Co和Mn共掺zno分型纳米结构的制备与光电特性的研究

过渡金属Co和Mn共掺ZnO分型纳米结构的制备与光电特性的研究

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作者：曲雨薇烟台大学

学位级别：硕士

本文采用分型结构、掺杂和修饰等三种方法进行研究,提高金属氧化物的物理特性。具体研究内容总结如下:（1）通过精确控制材料制备过程中的温度、升温速度和持续加热时间等参数,合成两种zno分型纳米结构,分别为3D海胆状zno微纳米球和四足... 详细信息

本文采用分型结构、掺杂和修饰等三种方法进行研究,提高金属氧化物的物理特性。具体研究内容总结如下:（1）通过精确控制材料制备过程中的温度、升温速度和持续加热时间等参数,合成两种zno分型纳米结构,分别为3D海胆状zno微纳米球和四足状zno纳米结构。采用丝网印刷技术,基于3D海胆状zno微纳米球制备了气体传感器,并对其进行200 ppm浓度乙醇气体的传感性能测试。实验结果表明,3D海胆状zno微纳米球传感器在280 ~oC的最佳工作温度下,灵敏度达到15。并且在放置450天后仍具有较高的灵敏度,这种3D海胆状结构的设计,不仅有效地避免了zno粒子的团聚现象,而且显著增加了材料的比表面积,为气体分子提供了更多的吸附和反应位点。（2）为进一步增强zno分型纳米结构的气体传感特性,我们通过单金属掺杂技术,将Co离子掺杂到zno分型纳米结构中。采用不同浓度的Co离子掺杂,制备了一系列Co掺杂zno分型纳米结构样品。在气体传感特性测试中,Co掺杂zno分型纳米结构传感器在260 ~oC的最佳工作温度下,对200 ppm正丁醇气体的灵敏度高达54.55,是纯zno分型纳米结构传感器的约8倍。该性能提升主要归因于氧空位的增多导致的化学吸附氧的增加。（3）我们采用了双金属掺杂的方法,成功将过渡金属Co和Mn离子同时掺杂到zno分型纳米结构中,制备出了具有不同掺杂Co和Mn比例的zno分型纳米结构。在气敏性能测试中,Co和Mn共掺杂的zno分型纳米结构传感器对200 ppm正丁醇气体展现出了高达94.1的灵敏度,是纯zno分型纳米结构传感器的13.7倍。这一性能提升除了氧空位增多导致的化学吸附氧增加外,还归因于Co和Mn离子共同掺杂造成的协同效应,形成了更多的活性金属位点,从而显著提高了Co和Mn共掺杂的zno分型纳米结构的气敏特性。（4）进一步研究中,我们采用Co掺杂Sn O纳米颗粒去修饰Co和Mn共掺杂zno复合纳米结构,得到了Co掺杂Sn O纳米颗粒修饰Co和Mn共掺杂zno复合纳米材料。Co掺杂Sn O纳米颗粒修饰Co和Mn共掺杂zno复合纳米材料传感器在对200 ppm乙醇气体的测试中展现出了前所未有的高灵敏度204.6。该传感器性能的显著提升,可以归因于Co掺杂Sn O纳米颗粒去修饰Co和Mn共掺杂zno复合纳米结构后异质结的形成,促进了电子之间的相互作用,增强了化学吸附氧与载流子之间的反应活性,从而大大提高了气敏特性。

关键词： zno分型纳米结构气敏性能光电特性双金属协同效应复合纳米结构

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