摘要
对于气体传感器件而言，其微型化成为大势所趋，撤去加热部件成为最为可行的方案，因此气敏材料的室温检测性能显得尤为重要。金属硫化物量子点材料已展现出室温检测气体的优秀潜力，而rGO的加入能够有效地解决量子点长期稳定性差以及电性能损失的关键问题。本文成功合成了两种金属硫化物量子点/rGO气敏材料：PbS量子点/rGO和CuSbS2量子点/rGO复合材料。采用XRD、FESEM、HRTEM、Raman、FTIR等对气敏材料结构形貌进行分析，并对其室温氨气气敏性能进行了测试，利用I-V、DRIFT、UPS、UV-vis、ICP等测试对气敏机理进行了探索。结果表明两种复合材料均具有较好的室温氨气气敏性能，这归因于其表面较多的气体吸附位点以及内部优良的电子传输。具体研究内容如下： 1、利用一步液相法制备得到PbS量子点/rGO复合材料，表征结果表明，PbS量子点的平均尺寸约为8nm，其通过C-S键原位生长在rGO上，并由于超声的作用在片层上形成了独特的三维“蚕茧状”结构。对PbS量子点/rGO复合材料进行了NH3气敏性能测试。结果表明，该复合材料相较于纯PbS量子点及rGO，对NH3的室温检测能力有较大幅度的提升。其在室温下对1000ppm NH3的响应值约为3.7，最低检测极限为750ppb，且具有良好的选择性。复合材料NH3气敏性能的明显提升主要归因于协同作用：两种材料界面处形成了肖特基势垒，这使得气敏反应中发生的功函数变化能够极大的改变体材料的电阻，进而提高气敏信号。另外量子点表面能较高，且具有大量缺陷，作为反应的活性中心能够吸附较多的NH3分子，而反应后释放的自由电子则能够通过化学键由PbS量子点向rGO转移。这充分发挥rGO优异的电子传输特性，也更有利于复合材料表面的化学信号向电信号转换，进而提高了其气敏性能。 2、利用热注入法制备得到CuSbS2量子点/rGO复合材料，物相及形貌表征结果表明，CuSbS2量子点的平均尺寸约为5.3nm，均匀地分布在rGO片层上，并与其存在化学相互作用。该结构明显有利于表面活性位点的暴露，有助于提升室温下复合材料的气敏性能。对CuSbS2量子点/rGO复合材料进行室温NH3检测能力测试。结果表明，复合材料相较于纯CuSbS2量子点及rGO，对NH3的室温检测能力有明显的提升。其在室温下对250ppm NH3的响应值约为1.42，最低检测极限为500ppb，平均响应时间为50s，且具有不错的选择性，而可见光的引入进一步增强了气敏性能。通过多种测试方法对复合材料气敏机理进行解释：NH3物理吸附和化学吸附同时发生于复合材料表面，羟基和S空位（酸位）作为吸附活性位点有效地促进NH3的吸附。吸附后的NH3与预吸附在表面的吸附氧O2-发生反应，生成NO分子。反应放出的自由电子从量子点向rGO发生转移，最终在rGO上快速传输，发挥其优异的电子传输特性。
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