1、半導體氣敏傳感器用納米SnO2的制備及表征第一章 緒論1.1 CNTs和SnO2的研究背景CNTs具有很多優異而獨特的電學、磁學、力學和光學性質，使其在結構增強，納米電子器件、場發射、儲氫、傳感器等眾多領域得到廣泛的應用，成為世界科學研究的熱點CNTs具有中空結構和大的比表面積，對氣體有很強的吸附能力，由于吸附的氣體分子與CNTs相互作用，因而改變了它的費米能級，進而引起宏觀電阻發生較大的改變，通過對電阻變化的測定即可檢測氣體的成分，因此，CNTs可用來制作氣敏傳感器 1.1.1 CNTs的發現和研究應用自從1991年日本電鏡專家lijima意外發現CNTs以來，由于其具有獨特的結構和優異的力

2、學、電學、熱學、儲氫和場發射等性能，可望在場發射顯示器件、納米電子器件、超強度復合材料、儲氫材料等諸多領域得到應用。特別是CNTs管徑為納米級，長徑比可達1000以上，比表面大且其抗拉強度是鋼的10倍，碳纖維的200倍，而密度僅為鋼的1/6，具有很好的柔韌性 ，被認為是制備納米復合材料較理想的增強材料之一。1.1.2 SnO2的特性和應用前景納米SnO2是一種典型的型半導體材料，其Eg3.6 eV（300 K），具有優良的光電性能和氣敏性能，在氣敏元件、濕敏元件、薄膜電阻器、光電子器件、吸波材料、電極材料及太陽能電池等方面有著廣泛的應用前景。SnO2是一種廣譜型的氣敏材料。當n型半導體SnO2

3、器件放置于空氣中時，表面會發生一系列反應，如活性點的吸附反應、催化反應及顆粒邊界或三相界面的相反應。氧與水分吸附在半導體表面時，從半導體表面獲得電子，形成負電荷。1.2 SnO2材料在氣敏傳感器中的應用在日益發展的現代社會里，工業廢氣 、汽車尾氣 、家庭液化石油氣 、煤氣 、天然氣的使用，不僅嚴重污染大氣，破壞生態環境 ,而且有產生爆炸 、火災 、使人中毒的危險，危害人類身體健康，因此對各種有害氣體的預報 、監測 、報警受到廣泛重視。氣體傳感器正是擔負這一要任。由于它使用方便 、操作簡單 、精確度高 、靈敏性強 ,在生產生活中發揮著重大作用. 隨著科學技術的發展對傳感器提出的要求也越來越高。第

4、二章 納米SnO2/CNTs復合材料的制備2.1 SnO2/CNTs復合材料的水熱制備過程固體NaOH去離子水NaOH溶液乙醇SnCl2醇溶液多壁CNTs乙醇：水（2:1）混合溶液碳納米管混合溶液固態SnCl22H2OSnCl2和碳納米管的混合溶液超聲20 min攪拌10 min超聲10 minSnCl2和碳納米管的混合溶液用蠕動泵滴加SnO2-CNTs渾濁液放入烘箱（160）進行水熱反應洗滌SnO2-CNTs沉淀烘干SnO2-CNTs粉末（成品）圖2.1水熱法制備納米SnO2/CNTs復合材料的流程圖。圖2.1是本實驗水熱法制備納米SnO2/CNTs復合材料的流程圖。實驗儀器：1) 電子天平

5、：本實驗采用AUW-d.-電子天平稱取實驗材料。它采用機械組件的密封結構、徹底抑制了過去的天平難以抑制的因風對流而產生的搖晃。即使在通風柜內也能比過去更穩定地使用。只需3秒的快速響應顯示，而且回零迅速。實現無需等待的快速測定。內裝“PSC”全自動校準功能（AUW/AUX） 遇有室溫變化影響靈敏度時，天平感知室溫變化，自動開始校準。使用定時校準功能，實現穩定的靈敏度。AUW-d.-電子天平圖2.2 AUW-d.-電子天平2) 加熱磁力攪拌器: 本實驗在配制Sn源溶液、堿源溶液、CNTs溶液時采用加熱磁力攪拌器進行攪拌。加熱磁力攪拌器圖2.3 加熱磁力攪拌器3) 本實驗采用KQ2200E型超聲波清

6、洗器對CNTs混合液、Sn源溶液和CNTs混合液混合后混合液進行超聲。 圖2.4 KQ2200E型超聲波清洗器2.2 實驗比較得出的比較理想的反應條件經參考文獻和對實驗數據的分析對比，優化的實驗反應條件為：a) 采用的CNTs為5 mg的L-MWNTs-1020-COOH型CNTs。b) 樣品的水熱反應時間取16 h18 h。c) 樣品的反應最終pH為1011。第三章 納米SnO2/CNTs復合材料的表征及氣敏性能的研究3.1 SnO2/CNTs復合材料的表征對SnO2/CNTs復合材料進行X射線光電子能譜（XPS）數據分析、傅氏轉換紅外線光譜分析（FTIR）數據分析、透射電子顯微鏡（TEM）

7、數據分析、X射線衍射（XRD）數據分析。3.2 納米SnO2/CNTs復合材料的氣敏性能的研究SnO2基氣敏傳感器因其具有良好的穩定性、能在較低的工作溫度下工作、檢測氣體種類較多等優點而成為眾多科學工作者的研究重點，這種氣敏傳感器可以檢測還原性氣體，也可以檢測氧化性氣體，這里主要是檢測其對氧化性氣體NO的氣敏反應。3.3 綜合納米SnO2/CNTs復合材料的表征和測試結果對實驗進行評估通過對SnO2/CNTs復合材料進行X射線光電子能譜（XPS）分析、傅氏轉換紅外光譜（FTIR）分析、透射電子顯微鏡（TEM）分析、X射線衍射（XRD）分析、以及氣敏性能測試，可以得出以下幾個結論：1. 本實驗通

8、過水熱反應成功制備了SnO2/CNTs復合材料。這一點可以由復合材料的XPS數據分析、FTIR數據分析和XRD數據的分析得到證實。 2. 透射電鏡觀察發現SnO2可以比較好的均勻地包裹在CNTs表層，SnO2粒徑小且結晶良好。3. SnO2/CNTs復合材料可以對氧化性氣體（NO）發生氣敏反應，這說明本實驗的可行性。且SnO2/CNTs復合材料在350 下對其進行氣敏性測試效果比較理想。400 以上時，4. SnO2/CNTs復合材料已經發生變化不適合對其進行氣敏性測試。但是本實驗制備的SnO2/CNTs復合材料的氣敏靈敏度有待提高，反應時間也可以再縮短一點。第四章 實驗總結本實驗前期做了大量

9、的準備工作主要是參考文獻和做對照實驗對實驗的條件進行選擇，第二章也提及過。經比較得出一套比較合理的實驗條件：最后取表征結果比較理想的實驗樣品進行氣敏測試，得出以下結論：SnO2/CNTs復合材料可以對氧化性氣體（NO）發生氣敏反應，這說明本實驗的可行性。且SnO2/CNTs復合材料在350 下對其進行氣敏性測試效果比較理想。400 以上時，SnO2/CNTs復合材料已經發生變化不適合對其進行氣敏性測試。參考文獻1 李玲. 潘慶誼. 程知萱. 董曉雯. 陳海華. CNTWO3元件的氨敏性能研究J. 無機材料學報. 2006.21（1）：151-1562 易斌. 陳小華. 徐海洋. 陳傳盛. 納米

10、氧化錫修飾碳納米管的研究J. 稀有金屬材料與工程. 2008.37 :883-8843 李丹. 楊緒杰. 韓巧鳳. 闞春. SnO2納米晶的制備及性能研究J . 上海化工. 2002（18）4 李平等. 氣敏傳感器的近期進展J . 功能材料. 1999. 30 (2) :56 62：18-195 王毓德等. 摻雜SnO2氨氣敏感材料研究J . 功能材料. 1998. 29 (1) :21-256 Zhang Tian - shu. Selective detection of ethanol vapour and hydrogen using Cd - doped SnO2- based se

11、nsor Sensors and Actuators B. 60 (1999)7 易惠中等. 納米功能材料的開發和應用J . 功能材料. 1991. 22 (5) :32 388 魏洪兵. 黃令. 吳曉斌. 柯福生. 蔡金書. 樊小勇. 楊防祖. 孫世剛. 納米結構SnO2碳納米管復合電極的制備及其儲鋰性能J . 電化學. 2007.13(1)：91-969 Zhenhai Wen, Qiang Wang, Qian Zhang, and Jinghong Li. In Situ Growth of Mesoporous SnO2 on Multiwalled Carbon Nanotubes: A Novel Composite with Porous-Tube Structure as Anode for Lithium Batteries 2007（17）：2772-277810 Guoxiu Wang , Xiaoping Shen, Jane Yao, David Wexler, Jung-ho Ahn. Hydrothermal synthesis of carbon nanotube/cobalt oxide core-shell one-dimensional nanocomposite and applicatio