紫外光增强的ZnO气体传感器研究

【摘要】气体传感器已被广泛应用于检测有毒气体、可燃性气体、湿度等多种气体种类，具有广阔的应用前景。半导体氧化物气体传感器在室温下性质很差，为了获得高的气敏响应和较快的气敏响应和恢复，通常需要在气敏元件上安装加热丝，使气体传感器在高温条件下工作。但是高温下工作会给气体传感器的制作和使用带来很多的不足与缺陷。理论和实验表明光激发可以有效改善气体传感器的性能，紫外光照可以增加半导体中的自由载流子浓度，加速气体在气敏材料表面的吸附和脱附，活化材气敏料表面的活性。本论文以半导体氧化物ZnO为气敏材料进行光电气敏性质的研究。相对于热敏气体传感器，目前光电气体传感器存在很多的缺点，各项性能指标跟热敏气体传感器均有很大的差距。目前光电气体传感器的响应度通常很小；同时气敏响应和恢复也很慢。因此提高光电气体传感器的响应度，减小响应和恢复时间，使光电气体传感器可以满足实际的应用是当前最需要解决的问题。本论文的工作主要是基于提高光电气体传感器的响应度而展开的，主要工作内容为：1.半导体氧化物气体传感器的传感机制主要为吸附气体后气敏材料的表面电导发生改变，对目标气体的响应依赖于气体在气敏材料表面的吸附、反应和气体与气敏材料表面的电荷交换。多孔结构的材料比表面积大，表面具有更多的表面活性位点，有利于吸附更多的气体，因此将气敏材料制备成多孔的结构可以有效改善材料的气敏性质。我们通过简单的水热法制备了多孔的ZnO，在紫外光照下测试了对甲醛等多种挥发性有机气体的气敏响应，结果表明由于多孔结构具有更大的比表面积，更高的表面活性，多孔ZnO在紫外光照下对甲醛具有很好的气敏响应。2.将两种半导体材料制备成复合结构有助于提高材料的光电分离效率，以此可以改善光电气体传感器的气敏性质。α‐Fe2O3对外界气体敏感，但由于其电子平均自由程短，电荷不易传输，致使外界对α‐Fe2O3引起的电信号无法有效的传导出来。ZnO电子迁移率大，电荷传输性质好。因此通过简单的固相反应，制备了α‐Fe2O3/ZnO的复合结构，研究了其在紫外光照下对甲醛的气敏性质。由于α‐Fe2O3和ZnO良好的接触和能级匹配，α‐Fe2O3/ZnO的复合材料对甲醛等有机气体的响应度很高。3.ZnSnO3为钙钛矿复合金属氧化物，是比ZnO、SnO2和In2O3性质更为优异的气敏材料，我们通过水热法制备了规则的ZnSnO3立方体结构，研究了其光电气敏性质，结果表明ZnSnO3在紫外光照下对甲醛具有良好的气敏响应。
【作者】张学强；
【导师】王德军；谢腾峰；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】气体传感器；ZnO；紫外光；表面光电压；

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