水熱合成氧化鋅納米結構的氣體傳感應用.pdf

1、與其他同等地位的技術相比，納米技術在物理、化學、光學和催化性方面有優(yōu)異的性能，因此它的研究已經變得越來越流行。在Ⅱ-Ⅳ半導體材料中,ZnO在室溫下有著較寬的禁帶寬度3.7 eV,及較大的激子激發(fā)能60 meV,是一種優(yōu)異的 n型的半導體。由于其在諸如高熱導率、高電子遷移率、高透明度和易于加工制造成各種各樣的納米結構等方面的獨特性能，ZnO納米結構已經引起了很多研究者的注意。在氣敏應用方面，ZnO因其對多種氧化還原氣體有高靈敏性，費用低，

2、且易于加工制造和小型化等方面的特點，它已經被關注很久了。尤其應該指出的是，ZnO在氣敏傳感器的應用中，表現出潛在的材料開發(fā)可能性。這是因為，由盡可能多的小尺寸納米塊，可以組成孿晶，多層和堆積的微米或納米結構。另一方面，ZnO沿鏡面對稱的納米結構的二次生長，已經被懷疑能調制ZnO表面的負荷狀態(tài)，從而很大程度上改變它的功能。在這篇專題論文中，我們將討論一種輕易可得的，由簡便的水熱法制備而來，可調整的 ZnO,它有多種多樣的六角形的，孿晶的，

3、多層盤狀結構。這種 ZnO的形貌，結構，光學和電學性能用 XRD，SEM，HRTEM，氣敏測試和UV光譜來表征。納米結構的形成受表面活性劑濃度，工作溫度，封端劑和反應體系中的電荷變換的作用影響。另外，晶體的結構，形貌，生長機制是復雜的。并且他們的氣敏靈敏度和反應恢復時間，穩(wěn)定性和選擇性進行了測試?？偨Y如下：
　　六角的ZnO納米盤結構由簡單的，易控的水熱法，使用兩種表面活性劑制備而來。當加入相同量的十二烷基硫酸鈉和溴化十六烷三甲胺

4、(CTAB)時，由于氮化反離子和氫氧根離子的代替作用，ZnO會沿著水平方線向上生長。由于具有較大的表面積，這些納米結構顯示出很好的氣敏性。用這些盤狀的納米結構制成氣敏傳感器，并用還原性氣體對其進行了氣敏測試。對甲醛的靈敏度為81.6和43.2，響應恢復時間5.7 s和9.1 s。這是在溫度為300 oC和濃度為150 ppm條件下的測試結果。
　　在這六角ZnO納米盤結構的基礎上，制成了一種晶面對稱的六角納米盤。這種孿晶納米結構是

5、通過合成獨立的陰陽離子活性劑得到。在最后的溶液中，兩種表面活性劑被用來合成孿晶的納米盤，在鈣化時間為12和24 h時,其厚度分別約為200,750 nm。加入作為靜電粘合劑的硫酸鈉，粘合出晶面對稱的結構。而NO32-和溴離子，為盤狀的納米結構提供基本的微胞。
　　我們已經用一種低溫的水熱法成功的制備了納米棒嵌入的 ZnO納米盤，這些納米棒均長為300-700 nm。二次嵌入的納米棒成功的沿著[0001]面生長在納米盤的表面。對于納

6、米棒的嵌入。ZnO納米盤是作為基礎結構，由十二烷基硫酸鈉溶液合成而得。尿素用作二次前驅，而且導致在[0001]極面的二次成核。二次納米結構的氣敏性也對不同濃度的多種氣體中進行了測試。在200 oC下，二次納米結構對甲醛、乙醇、甲醇、丙酮、和氨氣的最大的靈敏度分別為24.7,17.8,8.5,7.4,和6.3。由于離解能的作用，這種傳感器對甲醛表現出顯著地選擇性和靈敏性。故這些嵌入的ZnO納米棒氣敏傳感器對甲醛的選擇性和靈敏度優(yōu)于其他氣體

7、。在溫度為200℃和氣體濃度為150 ppm時，所有氣體的靈敏度都達到最高。
　　我們已經成功的報道了ZnO六角納米圓錐體的制備。這種制備需要用雙離子表面活性劑。XRD結果顯示，這種ZnO納米結構為纖維礦鋅ZnO。并且FESEM結果表明，其平均長度和直徑分別為1.3μm和1.2μm。HRTEM結果則表明，此結構主要沿著（0001）（00-11）極面生長。此結構轉變成納米圓錐體是由于PVP的陰離子特性。在溫度為275 oC，這種Zn

8、O納米圓錐體暴露在濃度50 ppm到350 ppm下，傳感器展示出靈敏度12.5和最快的響應恢復時間8s，9s。
　　在SDS和PVP的參與下，用可控的水熱法，我們已經有效的制備了多層ZnO環(huán)狀納米盤。SDS的加入為鏡面結構提供靜電捆綁，而PVP在多層圓形納米盤中再生成反面的微胞微乳劑。多層納米盤的氣敏性也用甲醛在300 oC下從5 ppm到1200 ppm濃度下氣敏靈敏度分別為15.2,28.5,39.8,70.6,82.7。而

9、反應和恢復時間分別為5s和7s。另外，實驗發(fā)現，該結構對甲醛的靈敏度較高。這一發(fā)現，使得這種多層納米結構的傳感器適合用于檢測甲醛。
　　通過改變水熱反應的時間，實驗已經成功的實現從 ZnO六角針狀棒到六角花狀棒的形貌轉變。FESEM結果表明，針狀棒的平均長度和直徑分別為3.4-3.8μm，和350-400 nm?；畎舻钠骄L度約為100nm，直徑分700-850 nm。我們發(fā)現提供OH-的 HTM和MEA在針狀棒到納米花的聚集過

10、程中，起著至關重要的作用。通過 UV分光鏡獲取的吸收譜表明，光學帶隙能為3.317eV和3.323 eV。而氣敏測試結果表明，在濃度為50 ppm和溫度為350 oC時，納米花制成的傳感器對乙醇氣體和NO2氣體靈敏度分別為45.7和33.6。雖，在溫度為350℃和濃度為50 ppm條件下，雖然這種傳感器對 NO2的靈敏度低于乙醇，但其對 NO2響應恢復時間最短，對NO2的響應恢復時間為6s和12s，而對乙醇的響應恢復時間為10s和7s。