取向生長TiO2納米薄膜的表面設計及氣敏特性研究

《取向生長TiO2納米薄膜的表面設計及氣敏特性研究》是依託湖北大學，由夏曉紅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：取向生長TiO2納米薄膜的表面設計及氣敏特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：夏曉紅
• 依託單位：湖北大學

項目摘要

氧化物半導體表面與氫氣相互作用機理的揭示及其表面修飾導致電子結構改變的深入理解是開發新型高效低成本氫敏器件的根本出發點。針對目前TiO2薄膜氫敏器件表面與氫氣相互作用機理不清和氣敏效果不夠好的問題，本項目在前期自組裝取向生長TiO2納米薄膜氫敏特性的研究基礎上，提出採用籽晶層誘導調控取向TiO2納米陣列薄膜的活性表面面積，並對薄膜進行表面修飾以進一步改善其氫敏特性。結合理論設計和實驗驗證研究不同修飾方法導致薄膜氫敏特性改善的作用機理：（1）研究Li離子和F離子在TiO2活性表面的嵌入方式對其表面吸氫和導電性的影響；（2）研究金納米顆粒的表面修飾在TiO2表面氫敏反應中的催化機制；（3）研究多鐵納米顆粒的自發極化和異質結的晶格匹配度對界面電子傳輸的影響。表面修飾改善TiO2氫敏特性機理的闡明對基於該機理的新型高效、穩定、長壽氫敏器件的研發和推廣套用有重要科學意義。

結題摘要

氧化物半導體表面與氫氣相互作用及其表面修飾導致氣敏性能改善機理的深入理解是開發新型高效低成本氫敏器件的根本出發點。本項目研究了（1）LiF表面修飾對TiO2氣敏及光催化活性的影響，發現LiF修飾對TiO2陣列薄膜的氣敏性能的影響主要有兩方面，一是薄膜的表面電阻下降，二是氣敏回響時間變短；經LiF修飾的TiO2具有極強的電負性，F離子以物理吸附、替位摻雜和LiF晶體的形式存在於TiO2中，LiF和TiO2晶體的協同作用，大大增強TiO2表面對染料的吸附作用。（2）籽晶層的引入對TiO2薄膜氫敏器件性能的影響：引入TiO2籽晶層，實現了室溫、大氣環境、高靈敏度和快速回響的氫氣探測。籽晶層的存在對氫敏器件的穩定性有明顯改善，氣敏回響的溫度、濃度都大幅下降。（3）金屬納米顆粒的表面修飾對TiO2表面氫敏性能的影響：用還原法製備了粒徑大小為3-7納米的超細Ag納米顆粒，室溫下18nm的Ag納米顆粒修飾後的薄膜對氫氣的靈敏度增加，回響和恢復時間減小，氣敏性能明顯優越於修飾前的薄膜；採用磁控濺射法製備了超細Pt顆粒，將其套用於取向生長TiO2陣列薄膜的表面修飾，相比於純TiO2薄膜，表面濺射10s Pt的氫敏特性有所下降，其主要原因可能是所濺射的Pt氧化嚴重，從而影響器件性能。（4）多鐵納米顆粒的表面修飾對TiO2薄膜表面氣敏性能的影響：採用油酸當分散劑獲得了粒徑大幅減小，分散性明顯改善的BaSrTiO3粉末。將所製備的BaSrTiO3粉末旋塗到TiO2陣列薄膜的表面，薄膜的氫敏性能得到提升。（5）採用DFT計算了LiF的（200）晶面和銳鈦礦TiO2（101）晶面的界面相互作用，從理論上解釋了TiO2和LiF的混合粉末對染料的吸附作用明顯增強的實驗現象；採用過渡態探尋的方法，詳細描繪了氫分子在金紅石（002）高活性表面的分解和氫原子在TiO2晶格中的遷移路徑，找到了室溫下氫氣探測的低反應勢壘傳輸路徑，解釋了高活性表面高靈敏度氫氣探測的機理。