摘要
在过去几十年时间里，一元金属氧化物半导体例如ZnO、Fe2O3和SnO2等作为气敏传感材料得到了科学工作者的广泛研究，但它们由于固有特性的限制仍然存在气体选择性差、最佳工作温度高、不能对低浓度的待测气体实现有效的检测等诸多缺点。随着新时代的到来和新科技的高速发展，人们对高性能、高质量材料的需求越来越迫切，复合材料应时而生，其通过各组成组分之间的协同作用具有单一组分无法比拟的优异综合性能，成为了纳米材料科学中最为活跃的领域之一。为了扩展气敏传感材料的研究领域，本文以纳米复合SnO2/CuO作为研究主材料，分别采用水热法和静电纺丝法制备了不同形貌的复合SnO2/CuO样品，分别对它们的物相组成、微观结构和气敏性能进行了分析和讨论，发现气体选择性有了显著的提升。本论文详细工作如下： 1.采用水热法制备了纳米复合SnO2/CuO颗粒。通过控制锡和铜的摩尔比及水热溶剂等因素，分别制备了不同的复合样品。利用XRD、SEM、TEM及气敏测试系统对制备出样品的结构、形貌和气敏性能等各方面进行表征与测试，结果表明：通过水热法制备的产物均为四方晶系结构氧化锡和单斜晶系结构的氧化铜组成的两相复合材料，其形貌结构是由纳米粒子自组装成的纳米颗粒和纳米微球，它们之间有生长成核壳结构的趋势。发现以去离子水作为水热溶剂，Sn:Cu=1:1时制备的样品对应的气敏性能最优，在320℃的测试温度下以其制成的气敏元件对300ppm乙醇的响应值达到了12.6，对乙醇有较好的选择性；在50~300ppm时其响应值与乙醇浓度之间有较好的线性关系；它的响应和恢复时间分别为13s和15s；最佳工作温度为320℃；对乙醇气体饱和浓度为300ppm；具有较好的稳定性。 2.利用静电纺丝法简单地制备了复合SnO2/CuO纳米管。通过控制锡和铜的摩尔比，分别制备了一系列复合样品。实验结果表明：制备的复合纳米管均为四方晶系结构氧化锡和单斜晶系结构的氧化铜组成的两相复合材料，纳米管的直径较大，平均为650nm，管的内壁和外壁粗糙，存在针状突刺。复合SnO2/CuO纳米管对乙醇有良好的选择性，同浓度同温度下对乙醇的响应是其他气体的4倍；对乙醇气体饱和浓度分别为250和300ppm；最佳工作温度为340℃；在浓度范围为25~300ppm时其响应值与乙醇浓度之间有较好的线性关系。发现以Sn:Cu=1:1时制备的样品对应的气敏性能最好，它在同浓度的乙醇气体中的响应值大于其它样品，以它制作的气敏元件在340℃时对250ppm乙醇的响应值为8.8，它的响应和恢复时间分别是25s和40s；它具有良好的稳定性，可以用于气敏器件的制备与研发。 3.对比材料的两种制备方法，发现通过水热法制备的样品具有更大的灵敏度，原因是水热法制备的样品的颗粒尺寸小且存在微孔结构，故具有更大的表面活性；但是水热法制备样品的气体选择性较差，可以解释为：纳米SnO2和CuO的分布不均匀引起的。 本文运用半导体电子耗尽层和晶界势垒高度的变化理论对材料的气敏机理进行了解释，是我们后续工作的基础。
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