基於中空結構氧化物半導體氣體感測器的研究

《基於中空結構氧化物半導體氣體感測器的研究》是依託吉林大學，由孫彥峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於中空結構氧化物半導體氣體感測器的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孫彥峰
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

決定氧化物半導體氣體感測器敏感特性的關鍵因素是:對氣體的識別功能、將化學信息變換為電信號的功能以及材料的使用效率。本項目旨在利用中空球形氧化物半導體的中空、多孔、比表面大和擴散性好等特點，通過在其外側表面和內側表面組裝敏感活性物質、控制小球（構成球殼的小顆粒）的晶粒尺寸和小球間的晶界以及控制中空球的尺寸和球間隙來提高識別能力、變換能力和使用效率，構築高性能氣體感測器。主要採用模板法製備中空球形SnO2、In2O3和ZnO等氧化物半導體，探索微結構與敏感特性的關係；在中空球內外表面擔載Pd、Pt等貴金屬或氧化物等敏感活性物質，提高表面氧化活性，進而大幅度提高靈敏度。此外為了開發實用化的敏感材料，通過引入磷酸根或其它粘合劑(SiO2、Al2O3等)提高中空球形材料的機械強度和熱穩定性。最終利用實用化中空球形敏感材料開發高靈敏、高選擇一氧化碳感測器，並套用於煤礦瓦斯爆炸後產生的一氧化碳的檢測。

結題摘要

在該項目的支持下，負責人主要以水熱/溶劑熱合成、模板法為主要的合成手段，針對大氣環境中的NO2與O3，及有機揮發性氣體的檢測，合成了一系列具有特殊形貌的納米分等級結構n型半導體氧化物，主要包括WO3、In2O3、SnO2、α-Fe2O3等，並進行了氣敏特性的表征。 針對大氣環境中氣體的檢測，我們主要採用鹽酸酸化及模板法，合成了具有方片結構與片狀分等級結構的WO3材料。實驗結果表明，方片結構的WO3材料對於NO2氣體具有較高的靈敏度，對於40 ppb的NO2的靈敏度達到24，基本滿足大氣低濃度檢測的需要。而對於片狀分等級結構的WO3材料，其工作溫度有所降低，並且在工作溫度為75度時，對於40 ppb NO2氣體的靈敏度達到16。另外，利用水熱/溶劑熱的方法，合成了六角形、花狀的分等級結構、片段預告分等級結構、刺球狀結構的In2O3粉體材料。這些材料具有電阻值低、對於NO2氣體的選擇型好、靈敏度高這些特點。並且，具有刺球狀結構的In2O3粉體材料對於200 ppb的O3的靈敏度高達133。 我們主要針對乙醇、丙酮等有機氣體的檢測，以水熱/溶劑熱為主要的合成手段，開發了具有片狀多孔分等級結構、Pd摻雜的納米棒花結構、單分散片結構、片段預告結構、Zn摻雜片段預告結構SnO2粉體材料。片狀多孔分等級結構的SnO2材料對於100 ppm 的乙醇氣體的靈敏度高達56；Pd摻雜後材料的形貌變化不大，而對於乙醇的靈敏度有明顯的提高；片段預告結構的SnO2材料對於NO2氣體有較高的靈敏度與選擇性；而Zn摻雜片段預告結構SnO2材料，不但表面形貌與Zn的摻雜量密切相關，而且適量的摻雜對於器件的靈敏度也有明顯的提高。另外，我們還開發了一系列具有棒蔟結構、中空橢球結構、刺球結構的α-Fe2O3粉體材料。棒蔟結構的α-Fe2O3粉體材料對於100 ppm的乙醇與丙酮的靈敏度在器件的工位溫度為250 ◦C與240 ◦C時分別為38與28；中空橢球結構α-Fe2O3乙醇與丙酮具有較高的靈敏度，且該器件具有快速的回響與恢復時間，對於40 ppm的乙醇，回響與恢復時間僅為38秒與34秒；刺球結構的α-Fe2O3材料的回響與恢復時間非常快，其回響時間僅為2秒，而在30秒以內，器件會恢復初始的阻值。