氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究毕业论文

1、编号： 11006310022南阳师范学院 2015 届毕业生毕业论文（设计）题 目： 氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究完 成 人：王洋班 级：2011-04学 制： 4 年专 业：电子信息科学与技术指导教师：徐秀梅完成日期：2014-04-22目录摘要 (1) 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。第一章 绪论 (2)1.1 纳米技术简介 (2)1.1.1 纳米技术的简介 (2)1.1.2 纳米技术的含义 (4)1.1.3 纳米材料含义 (5)1.2 ZnO 纳米材料 (6)1.2.1 ZnO 纳米材料简介 (6)聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.2.2 ZnO 纳米材料的分类 (8)残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1

2、.3 ZnO 半导体气体传感器 (9)酽锕极額閉镇桧猪訣锥。1.3.1 半导体气体传感器原理 (9)彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。1.3.2 ZnO 半导体气体传感器分类 (10)謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.3.3 半导体气体传感器性能指标 (10)厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.4 制备方法及研究现状 (11)茕桢广鳓鯡选块网羈泪。第二章 ZnO 纳米材料的制备 (13)鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。2.1 实验所用材料及仪器 (13)籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。2.2 ZnO 制备原理及过程 (13)預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2.3 实验结果分析与讨论 (17)渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.4 ZnO 气体传感器的气敏机理 (

3、19)铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.5 ZnO 气体传感器的性能测试 (20)擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.6 小结 (23)第三章 纳米材料的现状及前景 (24)贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。参考文献 (25)Abstract (27)氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究作 者：王 洋 指导老师：徐秀梅摘要： 以二水乙酸锌（ C4H10O6Zn） 和水合肼（ N2H4?H2O）为原料，采用 低温水热制备分等级 ZnO 纳米材料，通过（ XRD ），透射电镜（ TEM），扫描 电子显微镜（ SEM），光致发光谱等 1对所制备的氧化锌样品进行表征并分析晶 体结构，通过交叉实验分析其生长机理， 进而进行气敏性的

4、研究。 检测所测气体 的组成及其含量由气体传感器完成，而气体传感器由 ZnO 敏感材料为基体材料 制得进行。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。关键词： 水热法；氧化锌；传感器；气敏性第 0 页（ 共 27 页）第一章 绪 论1.1 纳米技术简介科技进步带动了城市化进程的飞速发展。 人类社会已经经历了两 次工业革命， 这两次工业革命给人类带来了极大的便利， 但是也带来 了一系列问题。例如，工业生产，煤矿燃烧，汽车尾气等排放的废气 越来越多，这些排放的废气对人类的生存与发展造成的危害日益严 重，不容小觑。 庆幸的是，越来越多的人注意到了大气问题对人与自 然所造成的危害，开始关注这一问题，关注人类自身的健康与

5、安全。 为了改善人们的居住条件和提高生活质量， 很多国家制订了相应的法 律法规，我国政府也制订了符合我国国情的法律法规。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。各种各样的气体在人们的生活中必不可少， 无法替代。 有些是人 类健康至关重要的的气体，如 O2、CO2、N2；有些是环境和人体健康 的杀手含碳氧化物的不完全燃烧 CO，硫的氧化物，氮的氧化物 等；有些是室内装修所产生甲醛，氨气，硫化氢，氯乙烯，苯乙烯等 气体。因此开发和研究高性能的气体传感器是未来的趋势。 一些常见 常用的传感器，由 SnO2，Fe2O3，ZnO 作为基体材料制备的传感器等 等已经广泛应用于工业与日常生活。其中 ZnO 半导体气体传感器

6、以 其独特的优势 对气体反应迅速，耗电量少，适合带出去，可靠系 数高等，在众多传感器中鹤立鸡群，被广泛应用 。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.1.1 纳米技术的简介纳米技术一般指纳米级 (0.1-100 nm) 的材料设计、制造、测量、第 1 页( 共 27 页) 控制和产品的技术 2。纳米技术主要包括：纳米粒子的测量、加工、 制备、组装技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米物理学；纳米化 学等3 。纳米物理学和纳米化学是纳米技术的技术支撑，只有这两项 技术取得发展， 其他相关产业才能进步。 纳米电子学是纳米技术最重 要的内容，也是我们研究的主要内容。目前，研制出的纳米产品涉及 人们衣食住行的各个方

7、面： 纳米防辐射服可以有效地帮助人们减 少来自电子产品和太阳的辐射； 纳米炊具具有良好的导电性和杀 菌作用 ,对人体无毒无害；纳米涂料这样的涂料颗粒细腻，美观， 耐用，刷出来对人体伤害也小；纳米技术制造的器件性能优异，可延 长发动机的使用寿命和提高工作效率；还有纳米机器人、纳米卫星、 纳米人造器官等。 未来， 纳米技术的发展一定会影响人类的生产生活 方式 。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。在纳米技术的发展历程中，世界各国的许多科学家作出了杰出 的贡献。纳米技术的概念最早由加州理工大学的费曼教授在 1959 年 提出的，这一概念在 1990年由 IBM 公司的科学家做出了证明。他们 对单个原子进行重新排

8、列， 使得纳米技术突飞猛进。 纳米材料的制备 主要存在三个问题： 材料结构的尺寸是否达到纳米级、 材料纯度是否 足够高、所得材料的成份是否合理。一旦这三个问题被解决，就会使 得纳米材料的制备技术突飞猛进， 产生大量的崭新器件。 纳米技术是 一种高新技术，应用前景广阔，属于朝阳产业，人们的研究主要集中 在基础的理论研究和实际应用两个方面。 纳米技术经济效益巨大， 各 国都争相开发研究， 我国也不例外。 我国曾召开纳米科技发展战略研第 2 页（ 共 27 页）讨大会，制订了一系列的的扶持政策及法律， 极大地推动了我国纳米技术的发展。因此，我国的纳米技术与世界同步。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.1.2

9、 纳米技术的含义纳米（ nm），一种长度单位， 1 nm=10-9 m 的长度。形象的说， 是一个头发径向的五万分之一，每根直径约为 1 nm。纳米技术，从 微观上来说，是指尺寸在 0.1-100 nm范围内，研究原子、分子和电子 内部运动规律和特性的一项崭新技术 3 。利用这些纳米尺度范围内的 若干个原子、分子，对其进行加工，制造成器件设备 4 。但是，对纳 米材料进行简单的加工并不能称之为纳米技术， 因为它没有表现出任 何新的结构和性能。 纳米技术是通过特定的技术， 对纳米材料的分子、 原子进行特定的排列或加工重组， 使之产生新的特性和功能， 这样的 技术可以称之为纳米技术。纳米技术是一门

10、交叉性很强的综合学科， 研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 1993 年，国际纳米科技指导 委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米 生物学、纳米加工学和纳米计量学等 6 个分支学科。其中，纳米物理 学和纳米化学是纳米技术的理论基础， 而纳米电子学是纳米技术最重 要的内容 。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。纳米技术与传统的微电子技术不同，纳米技术利用电子的波动 性，研究的是单个的分子、 原子，通过对他们的控制来实现设备的特 定功能 5；微电子技术利用电子的粒子性，主要通过控制电子群来实 现其功能 6。两者有着本质的区别 。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。第 3 页（ 共 27 页）1.1.

11、3 纳米材料含义纳米材料 （图 1.1）是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范 围或由他们作为基本单元构成的材料 7 。纳米材料主要以下几个性 质： 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 表面效应 又称界面效应，是指纳米晶体微粒表面原子数与总原子数之比随微粒半径变小而急剧增大后所引起纳米材料的性质上的变化 8 。如果 纳米颗粒尺寸减小， 会造成表面原子数量增多。 因为位于表面的原子 占了纳米体积相当大的一部分， 两者的比例也是判断纳米材料的一个 重要指标 9。表面原子易于其他原子结合，形成稳定的结构 。 輒峄陽檉簖 疖網儂號泶。 小尺寸效应当颗粒的尺寸变小， 会出现两种现象： 一种是物体的性质不发生 变化

12、，另一种就是物体的性质发生变化：颗粒的边界被破坏，从而使 其声、光、电、磁等性能呈现出异常的现象周期性边界被破坏，从而 使其声、光、电、磁等性能呈现出异常的现象 10 这就是小尺寸效 应。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 量子尺寸效应形成固体的原子的能级和在一起形成了能带， 原子的能级间距很 小，因此能带可以看做是连续的 10。当能带分裂时，微粒的光子能、 电能、磁能等比平均间距还要小，物体会出现一些意想不到的性质， 我们把性质叫做量子小尺寸效应。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。第 4 页（ 共 27 页） 宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应 10 。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应， 它

13、们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化， 这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应 10 。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。图 1.1 各种纳米材料结构1.2 ZnO 纳米材料1.2.1 ZnO 纳米材料简介第 5 页（ 共 27 页）图 1.2 ZnO 的基本性质氧化锌（ ZnO）俗称锌氧粉、锌白粉。常温下难溶于水的的两性 氧化物，密教比较大，硬度较小。激子束缚能比较高。高能带隙使得 ZnO 的导电性好，维持电场能力强和击穿电压高。 半导体的禁带宽度 取决于能带结构 11 。如果要改变 ZnO 的禁带宽度可以掺杂一定量的MgO。由于杂质能带的出现会使能带隙在 3-4 eV 之间变化 。 恥諤銪灭萦欢 煬鞏鹜

14、錦。图 1.3 氧化锌的晶体结构第 6 页（ 共 27 页）氧化锌晶体有三种结构，如图 1.3 所示，从左到右依次是：八面 体结构、 立方闪锌矿结构、 六边纤锌矿结构 12。ZnO 的晶体结构会随 着外界条件的改变而改变。 其中，纤锌矿结构最常见 晶体的氧原 子与锌原子形成原子层，紧密相邻，成理想的六边形排列，因而结构 最稳定。从图中也可以看出， ZnO 的晶体结构成中心对称， 因而具有 压电效应和焦热电效应， 因而可用来制作压电传感器 13 。闪锌矿结构 每个锌或氧原子都与相邻原子以离子键结合 13 ，形成正四面体结构， 也有中心对称性，因而具有压电效应，这也是 ZnO 晶体压电张量高 的原

15、因之一。八面体结构很少见，与 NaCl 结构像似，每个锌原子周 围有 6 个氧原子，每个氧原子周围有 6 个锌原子，只有在特高压的条 件下才能形成。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。氧化锌的用途很广泛：在工业上，可用于合成橡胶、塑料，而且 有着色作用，还可以用来制作涂料、润滑油、催化剂等 14 ；在电子产 业中，可用于制作液晶显示屏，薄膜晶体管，精密器件等；在医学方 面，氧化锌由于具有杀菌消炎的作用，可以制成脚气粉、橡皮膏、补 牙、做填充剂等。 氧化锌的前景广阔，具有极高的研究价值和经济效 应。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。1.2.2 ZnO 纳米材料的分类纳米材料可以按照维数分为三类： 零维， 纳米材料的三

16、维空间 尺度均在纳米尺度的范围内，如纳米颗粒，纳米团簇；一维，纳米 材料的三维空间尺度有两维尺度在纳米尺度范围内 15 ，如纳米丝，纳 米管，纳米棒；纳米材料的三维空间尺度有一维尺度在纳米尺度范 第 7 页（ 共 27 页）围内，有一维纳米棒组成阵列和多空薄膜，片花状结构，如超薄膜， 多层膜，超晶格 16 。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。图 1.4 棒状纳米结构图 1.5 花状的纳米结构图 1.6 球形纳米结构 第 8 页（ 共 27 页）1.3 ZnO 半导体气体传感器1.3.1 半导体气体传感器原理半导体气体传感器工作原理是由变化的电导率决定的， 电导率随 着温度、压强等其他因素变化 17 转换成

17、电信号反映出来。 现在已经成 功研制了很多传感器：酒精、一氧化碳、硫化氢、氨气等，以满足工 业检测需要。缺点是稳定性差，受光照，温度，湿度，气压与时间等 因素影响较大，需要我们不断改进技术，以获得更好的性能。目前， 传感器向智能化、 数字化，迷你化的方向发展。 传感器的研制、 开发、 制造、生产、销售，带动了很多产业的发展，成为新的经济增长点， 人们争相研究。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。1.3.2 ZnO半导体气体传感器分类目前，金属氧化物半导体气体传感器主要分为两类： 电阻型和非 电阻型 18。具体划分图见图 1.7。我们主要用电阻型传感器，在这三 种中，烧结型传感器因其独特的优势： 开发研制的

18、早， 制作过程可控， 便于携带，市面上流行的比较多。但是，不利于大量生产，正在逐步 取代烧结型传感器。 薄膜型传感器主要缺点是制作过程不稳定， 难以 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。控制，优势是功耗低， 污染小，可以大量产出， 因而经济效益比较好， 受到人们的广泛关注，是未来传感器发展的重点 18 。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。第 9 页（ 共 27 页）图 1.7 金属氧化物半导体气体传感器1.3.3 半导体气体传感器性能指标 金属氧化物气体传感器的性能判定指标有很多： 灵敏度，稳定性， 对气体的反应速度和恢复时间等 19。相对于其他传感器， 金属氧化物 半导体气体传感器具有许多优势： 首先，金属氧化物气体

19、传感器灵敏 度高，对于对于污染环境的杀手 氮的氧化物和硫的氧化物等气 体，灵敏度可以达到 ppb 等级；其次，反应和恢复时间都很短，以最 少几秒和最多几十秒的速度让其他传感器甘拜下风； 而且，金属氧化 物半导体材料都是固体，适合带出去，也方便进行二次检测，这是其 他传感器所不具备的优势；耗电量少，使用期限长，电路简洁易懂， 价格适中。这些优异的性能的使得金属氧化物气体传感器成为广为应 用和流行的传感器 。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。1.4 制备方法及研究现状 传感器的发展历程主要经历了三个阶段： 第一阶段 结构型传 感器，这一阶段的传感器制作粗糙， 灵敏度不高，也不耐用；第二 第 10 页（ 共

20、27 页）固体型传感器， 这一阶段传感器取得了很大发展， 人们制造出了种类 繁多的传感器，性能上也有很大提高；第三阶段 智能型传感器， 这一阶段的传感器的制造技术不太成熟， 刚刚发展起来， 总的来说越 来越智能化。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。制备 ZnO 纳米材料的方法有很多， 根据其原理主要可分为三类： 化学法和物理法。化学法包括气相沉淀法，溶胶 -凝胶法（ Sol-gel）， 水热法 20。化学法的优点在于， 获得的纳米材料粒度纯度高， 工艺流 程可控，材料的表面活性好； 缺点是样品颗粒比较大， 容易粘在一起。 目前主要用于一维二维纳米材料的制备。物理法包括气相沉积法 （CVD ）、激光辐照法

21、等， 是指材料在光电技术的作用下在真空中或 者惰性气体中分子或者原子形成纳米材料。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。众所周知，不同的合成方法，会对纳米材料的形貌，尺寸产生影 响，进而影响到纳米材料的性能。 所以人们对纳米材料不断进行研究， 力图获得一种操作简单，成本低，形貌规矩，尺寸均匀的方法。随着 科学技术的发展，工艺的改进，人们对纳米材料的认识不断加深，采 用的方法也越来越合理与先进。本章我们主要介绍水热法 。 鶼渍螻偉阅劍 鲰腎邏蘞。水热法是指物质在高温和强压的水溶液中进行的化学反应。 由于 反应处于分子水平， 反应性能高， 因而水热反应可以替代某些高温固 相反应21。与其他方法相比， 水热法的流

22、程简单、 过程可控并且价格 易于接受，没有副产物产生，所得的产物纯度高，粒度细腻，是我们 研究的重点 。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。第 11 页（ 共 27 页）第二章 ZnO 纳米材料的制备2.1 实验所用材料及仪器二水乙酸锌（C4H10O6Zn，纯度 99，国药集团化学试剂公司） ， 水合肼 （H6N2O， 80，国药集团化学试剂公司 ） 。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。X 射线衍射仪（ XRD ，型号 DIFFRACTOMETER-6000 型），透 射电子显微镜（TEM ，型号: G2 F20 S-TWIN ），扫描电子显微镜（ SEM， 型号 LE840EQD，LG Display ），反应釜

23、（可自行设定反应温度，不 允许透气） ，室温荧光光谱， 去离子水，干燥箱，离心机，马弗炉22。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。2.2 ZnO 制备原理及过程二水乙酸锌，又名乙酸锌、二水醋酸锌，白色单斜片状晶体， 具有珍珠光泽，微带醋酸味，熔点 100，沸点 242-4 ，相对密度 1.735g /cm3，可溶于水和乙醇，可用于检测硫化氢、蛋白的试剂色谱 分析试剂，聚酯工业等。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。水合肼（ N2H4?H20）又称水合联氨，无色发烟液体，具有强碱性 和吸湿性。可以快速电离 OH-。在化学反应时， OH- 与 Zn2+结合生成 Zn（OH） 2络合物， Zn（OH） 2络合物脱去一分子的

24、 H2O 形成 ZnO。ZnO 表面的原子比较活跃，在适合的生长的方向上生长迅速。随着实验 挤 貼綬电麥结鈺贖哓类。条件的改变它会分化成分等级结构，实验过程中的化学方程式： N2H4?H2O=N2H5+OH-第 12 页（ 共 27 页）Zn2+4OH-=Zn（OH）42- Zn（OH） 42- =ZnO +H2O+2OH- 从上述化学方程式可以看出影响分等级的纳米结构的因素有很多： 溶 液的温度， PH 值，溶液中 Zn2+浓度等。X 射线衍射仪（ XRD ）X 射线属于电磁波的一个分支，波长很短（ 0.06-20 nm），不借 助外在物体，肉眼无法观察，因此需要我们借助 XRD 。X 射线

25、衍射 仪（XRD ）利用衍射原理， 可以观察到某些由于突然减速而使外层电 子迁跃的电子流。利用 XRD（图2.2）确定所得 ZnO 的形貌结构，进行 进一步的分析。 X 射线一经问世就被应用于各个领域， 成为研究微观 物质结构的一把利器 。 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。图 2.1 X 射线衍射仪的工作原理透射电子显微镜（ TEM ）在光学显微镜下小于 0.2 的m细微结构我们无法看清，因此要想看到更加细微的结构必须用波长更短的光源， 以此提高显微镜的分辨率。目前 TEM 的分辨力可达 0.2 nm。分辨率 0.1 nm 以下的电镜可用来观察细微的物体形貌及结构， 既能观测原子或原字团的排列， 又第

26、13 页（ 共 27 页）能确定其所处的空间位置塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。图 2.2 透射电子显微镜结构图扫描电子显微镜 (scanning electron microscopy， SEM)的原理是： 电子枪发射电子束， 电子束与物质的相互反应， 获取被测样品本身的 各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构等 23 。扫描电 子显微镜正是根据上述原理， 采用不同的信息检测器， 使选择检测得 以实现。 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。第 14 页( 共 27 页)图 2.3 扫描电子显微镜结构图图 2.4 反应釜结构图从图 2.4 中可以看出组成反应釜的器件众多， 由防爆机、减速器、 第 15 页（

27、 共 27 页） 搅拌器及冷却装置、接地设备、测温设备等组成。属于特种设备，使 用时必须严格遵守与防爆要求，使用前进行加压、加温测试，实验气 体最好用惰性气体， 严禁使用易燃易爆气体； 操作过程中不能速冷速 热，以防釜体破裂；每次用完必须及时清除高压釜内外的残留物，所 有密封面必须经常清洗，保持干燥 。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 具体实验过程如下：在烧杯放入 2.1950g（10 mmol）的二水乙酸锌和 60 ml 的去离 子水，两者充分混合，用搅拌机搅拌 30 min ，再用胶头滴管向溶液 中缓慢滴入 4 ml 水合肼（联氨），再搅拌 30 min。将所得的溶液倒 入水热釜中，再放入 160

28、oC的密封干燥干燥箱中，反应 24 h，自然 冷却至室温。拿出溶液，用去离子水和乙醇（ C2H5O）H 对所得溶液反 复进行离心洗涤，在 80oC的干燥箱中干燥 5 h 24 ，最后在 500oC的 马弗炉中灼烧 2 h ，所得的白色粉末就是 ZnO。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。2.3 实验结果分析与讨论将所的样品的晶体结构，微观结构和形貌，分别用 X 射线衍射 仪（ XRD ，D/MAX-2500 型衍射仪， Cu的射线， =0.1541nm），扫 描电子显微镜，透射电子显微镜进行表征。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。第 16 页（ 共 27 页）图 2.5 所得氧化锌的 XRD 图谱由水热法得到氧化锌

29、的 XRD 图谱（图 2.5）可知，样品的衍射峰 与标准谱 （JCPDS no 36-1451）相符合 24。所得的特征峰明显，既高又 细，比较集中，没有其他明显的衍射峰。此结果说明，我们所得的晶 体晶面规则，生长较好，纯度较高，没有其他杂质产生 。 瑣钋濺暧惲锟缟馭 篩凉。图 2.6 所的样品的形貌特征从图 2.6我们可以清楚的观察到，样品结构与 SEM 图一致。所 得样品为花状氧化锌纳米结构，有许多 3-5 m的纳米棒组成。样品第 17 页（ 共 27 页）的的尺寸大小适中，结构清晰，并且没有观察到其他的形貌，说明这种方法得到的产品纯度比较高 。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。图 2.7 所的样品

30、不同放大倍数的 SEM 图图 c 为样品的侧面， 图 d 为样品的正面， 可以看出所得样品为花 状结构，具有分等级结构，基本结构为一维的纳米棒组成，纳米棒的 排列比较疏松，两个相邻的纳米棒的距离为 0.2 m，气体可以进入到到传感器内部，两者互相融合，充分反应，减少待测时间，恢复起来 也会容易的多 。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。2.4 ZnO 气体传感器的气敏机理第 18 页（ 共 27 页）从图中我们可以看到，一个长约 10 mm 的环形氧化铝陶瓷管， 陶瓷管，上下有四个 Pt 导线，左右有两个 Ni Cr 的电极。将所得样 品用去离子水稀释，均匀的涂在氧化铝陶瓷陶瓷管和电极上，放在 450oC

31、的马弗炉中煅烧 2小时，得到了 ZnO 气体传感器，再进行 辔烨棟 剛殓攬瑤丽阄应。为期一周的老化处理，最后进行老化性能测试。那么，传感器是如何工作呢？首先， 气体传感器获取被测气体的 相关信息：类别、成分、浓度等，再将相关信息转换成电信号。我们 根据电信号的强弱判断气体的相关信息。当传感器工作在温暖潮湿， 有废气的环境中， 在适宜的温度下， 半导体气体传感器跟所接触的气 体（不是所有的气体都可以发生反应 ）发生氧化还原反应导致电阻值 发生变化。 这是金属氧化物半导体气体传感器的气敏特性。 金属氧化 物半导体气敏材料表面存在许多活性中心， 易吸附一些分子， 在加热 或光照条件下，两者进行载流子

32、交换。 当氧化物与还原性气体 （氢气， 一氧化碳，硫化氢等）接触是时电子从还原性气体转移到氧化物表面， 两者发生氧化还原反应， 氧化物带负电荷， 导致金属氧化物电阻率发 生变化，在氧化物表面与内部形成电场， 这一电场可以阻止电子从还 第 19 页（ 共 27 页）原性气体向金属氧化物转移， 维持金属氧化物内外的平衡状态。 同理， 当金属氧化物与氧化性气体（氧气，臭氧，氯气）接触，电子从金属 氧化物转移到气体身上，金属氧化物带正电荷，二者发生氧化 峴扬斕滾澗 辐滠兴渙藺。还原反应，过程相反。这是传感器的气敏机理。2.5 ZnO 气体传感器的性能测试 金属氧化物气体传感器的性能指标有很多：灵敏度，

33、选择性，对 气体的响应和恢复时间，温度等 25。灵敏度是指被测气体的浓度变化引起元件阻值的变化的程度 26 。 当气体浓度变化很小而引起元件阻值发生很大变化， 这样的情况我们 可以认为传感器的灵敏度很大， 我们也希望灵敏度大一些好。 要想提 高传感器的灵敏度， 主要从两方面入手： 优化器件结构和对传感器的 材料精益求精。传感器灵敏度的提高可以帮助人们快速有效的对气体 进行检测。我们定义，气敏元件在空气中的阻值为 Ra，在不同浓度 的待测气体中阻值为 Rg，因此，气敏元件的灵敏度可以定义为 S=Ra/Rg27 。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。选择性也是衡量气体传感器性能好坏的一个重要指标， 若传感器

34、被多种气体包围， 我们只希望它检测出主测气体而对其他气体没有没 有什么反应，这种性质就是传感器的选择性。图 2.9 是花状的氧化锌 对同一温度（150）、同一浓度（ 100 ppm）的不同气体的反应程度。 下图的气体从上到下分别是硫化氢 H2S、甲醛 CH2O、甲烷 CH4、氢 气 H2、二氧化氮 NO2、一氧化碳 CO、甲苯 C7H8、丙酮 C3H6O、乙第 20 页（ 共 27 页）醇 C2H6O、氯气 Cl2、氨气 NH3。很明显，所制备的传感器对硫化氢H2S 响应良好，灵敏度高，而对其他几种气体反应不明显。主要原因 是 H2S与 ZnO两者接触时发生化学反应， H2S与 O2-反应生成

35、 H2O、SO2、S和电子。同时，二者可以还发生了脱硫反应生成了硫单质因此，我们可以得出， 花状氧化锌所制得的纳米材料对不同的气体具有良好的选择性。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。图 2.9 ZnO 对不同气体的响应程度第 21 页（ 共 27 页）图 2.10 温度对 ZnO 灵敏度的影响图 2.10 是所制得传感器对同一浓度的不同浓度的气体（上边为 乙醇，下面是丙酮）的灵敏度与工作温度的关系曲线。从图中我们可 以得出：在同一温度下传感器对不同的气体灵敏度明显不同。 这也 要求我们针对不同的需求制造不同种类的传感器满足工业的要求。 胀 鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。影响传感器性能还有一个重要因素： 温度。不同

36、温度下的气体对同一 传感器影响也大不相同。从图 2.10 中我们也可以得出温度对传感器 的影响。图中两种气体的浓度为一样。乙醇传感器的灵敏度的在 200-250的范围内，随着温度的升高而灵敏度增加， 在 250时处 于顶峰，250以后，灵敏度会立即下降。 丙酮传感器的灵敏度在 263 灵敏度最大。温度过高或者过低，都会对传感器的灵敏度造成影响。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。主要原因是 ZnO 表面原子受温度的影响，能级不稳定，发生迁跃， 也会影响吸附氧气的数量。 当温度较低时，ZnO 表面原子的性能降低， 会影响与气体分子的反应， 也会影响吸附氧气的数量， 降低反应速率 和质量，导致传感器的灵敏度下

37、降。当温度过高时 ZnO 表面原子的 性能会遭到破坏，氧气受热膨胀，与传感器的接触面积减小，吸附氧 气的数量也会减少， 进而影响传感器响应速度。 对丙酮也有类似的变 化。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。2.6 小结试验中我们首先制备了纳米级 ZnO,通过 XRD 、TEM 、SEM，对 所制备的氧化锌纳米材料进行表征，对它的生长机理有了清晰地认第 22 页（ 共 27 页） 识。再制得氧化锌气体传感器，对其进行性能测试，分析了影响氧化 锌纳米材料气体传感器性能的主要因素。 结果表明， 氧化锌纳米材料 气体传感器在 150时，对 H2S 有较好的选择性，灵敏度。 陽簍埡鲑罷規呜 旧岿錟。第 23 页（

38、共 27 页）第三章 纳米材料的现状及前景氧化锌纳米材料因其工艺简单，制作方便，灵敏度，功耗低，污 染少，广泛应用于工业生产和实际生活中。 本文中我们首先介绍了纳 米技术及纳米材料， 使人们对纳米材料有了初步的认识。 接着又采用 低温水热法，以二水乙酸锌和水合肼为原料，利用 X 射线衍射仪， 扫描电子显微镜，透射电子显微镜对所制得的气体传感器进行表征。 详细分析了氧化锌纳米材料的生长机理， 并且讨论了它的灵敏度、 选 择性、稳定性以及对气体的响应时间和反应速度。结果表明，乙醇和 丙酮的最佳工作温度分别为和 250和 263，在 150对 H2S 具有 良好的选择性和灵敏度。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔

39、應。由于氧化锌的广泛应用和良好的市场的前景， 氧化锌的纳米材料 的开发与应用已引起世界各方面的高度关注。 纳米材料的制备技术发 展了几十年，取得了一定的研究成果。但是，纳米技术的应用刚刚起 步，需要我们深入研究探讨。 如何更好地发挥氧化锌纳米材料性能， 提高产品的性价比， 使制造出的产品更具有市场竞争力， 我们以后研 究的方向与重点。 总的来说， 纳米材料研究主要包括纳米结构的研 究和性能的分析，表征；纳米材料的合理制备；纳米材料形状， 大小的可控研究；纳米材料的工业化生产及可控研究。目前，我们 存在的问题，就是未来研究的方向和重点。这些问题一旦解决，纳米 技术的发展就会如虎添翼，突飞猛进 。

40、 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。第 24 页（ 共 27 页）参考文献1 祝柏林，谢长生 .ZnO 气敏材料的研究进展 J.传感技术学报， 2002，(4)： 353-359.2 李海燕 .薄膜电阻器用纳米 SiO/环氧树脂复合涂料的制备与表征 D. 天津：天津大学， 2004：112.3 徐桂华 .你可知道纳米技术 J.电气时代， 2001，(2):4-5.4 李青青.镍硫化物纳米材料的水热合成和表征 D.山东:山东大学， 2012:71.5 胡廷义 . 纳米材料及其应用 J.天津通信技术， 2000，(4):11-13.6 徐桂华 .你可知道纳米技术 J.电气时代， 2001:3132.7 彭春玉

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