1、納米ZnO氣敏傳感器的研制開題報告姓名：史雯萍 班級：09環境A2 學號：指導教師：袁昊是否為畢設預備課題： 是； 不是（請打） 摘 要：ZnO是具有寬帶隙和優良光電，壓電等性能的半導體材料，且化學穩定性高，在功能器件的研制中具有廣泛的用途，因而受到人們越來越多的重視，作為氣敏材料，ZnO是最早被發信的氣敏材料之一。研究結果顯示：貴金屬納米晶可以顯著提高單晶ZnO納米線的靈敏度和選擇性，并且能夠有效降低對目標氣體的檢測下限（檢測下限可達ppb級）。這項研究為半導體氣體傳感器性能的改善提供一條全新的思路。關鍵詞：氧化鋅；貴金屬；修飾；氣體傳感器一、研究內容以液相法制備的單分散貴金屬納米晶為原料，

2、對單晶ZnO納米線進行異質自組裝。在不同的條件下，對貴金屬納米晶修飾的一維ZnO納米材料進行氣敏性能測試。在研究該組裝體系氣敏性能的基礎上，得到了具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性，并且具有低檢測下限的性能優越的氣體敏感材料。圖1 Au納米晶的TEM圖二、技術路線本實驗是通過貴金屬納米晶的修飾來提高ZnO納米線的氣敏性能：經過Pd納米晶修飾之后的ZnO對H2S氣體的選擇性非常良好，而且還將對H2S氣體的檢測下限降低至200ppb；經過Pt納米晶修飾后的ZnO納米線，顯著提高了對酒精和甲醛氣體的響應，可以檢測濃度低至250ppb的酒精和1ppm的甲醛氣體。Au納米晶修飾ZnO納米線后提高了對酒精和

3、一氧化碳的靈敏度和檢測下限。同時并采用單分散的貴金屬納米晶修飾的方法可以顯著提高半導體金屬氧化物的氣敏性能，這將為以后提高半導體金屬氧化物氣敏材料的性能提供新的道路。實驗結果表明, Ru 的摻雜可提高ZnO 的氣體靈敏度, 催化劑涂層的施加可改善Ru2ZnO 對汽油、乙醇、丁烷的氣敏選擇性。并適當降低ZnO 的工作溫度。通過貴金屬納米晶的修飾，可以顯著提高金屬氧化物納米線的氣敏性能，進而開發高靈敏度、高選擇性、高穩定性的優質氣體傳感器。三、文獻綜述從性能上來說它是半導體加壓電體，而且還是光電材料；從物理上來說，它是一個應用于自旋電子學的材料；從生物上來說，它是無毒性的、生物可降解的；更重要的是

4、，從納米結構上來說，它是可塑性非常好的一個材料，可以做成各種各樣的形態，有極大和半導體工業結合起來的優勢1-4。為氣敏材料來講，ZnO是一種研究時間較長、應用水平較高的半導體氧化物氣敏材料，它主要利用材料表面吸附氣體后電阻值發生變化的原理來檢測氣體，具有測量范圍廣泛、靈敏度高、響應恢復時間快，壽命長等優點，尤其是成本低、制作簡便、工藝成熟、使用維修方便。為了提高半導體氣體傳感器的靈敏度，人們普遍使用具有納米尺寸的氧化物作為敏感材料，但是由于傳統的納米顆粒氣敏材料一般是多孔、多晶材料，在傳感器的使用過程中容易發生晶體生長、顆粒團聚、產生裂紋，導致傳感器的靈敏度變化和穩定性下降5-8。為此，開發比

5、表面大、結晶度高、不易團聚的新型納米材料或采用新的器件結構，解決氣體傳感器的穩定性差和功耗高問題成為半導體氣體傳感器進一步的發展方向。近年來，由于金屬氧化物納米線在介觀物理、合成化學和納米尺寸元件制備中具有獨特的應用前景和研究價值，已成為當前納米材料領域的國際研究前沿與熱點9-11。與傳統的納米材料相比，一維納米材料不僅具有獨特的物理、化學和力學性能，而且可以作為納米器件與納米系統的連接導線，在納米器件和系統的構建中顯現出更加重要的地位。研究發現，單根的氧化物納米線可用于制作氣體傳感器。例如Wang等利用微電子機械系統（MEMS）技術將其合成的ZnO納米線制作成氣體傳感器，并用于酒精氣體的測試

6、12。該傳感器具有良好的酒敏性能，檢測濃度可以低至1ppm。此外，徐甲強課題組也利用合成的ZnO納米線、納米棒以及晶須用于氣敏元件制作，可以用來檢測酒精和氨氣等氣體13-14。單分散Pd納米晶的合成方法類似于文獻1、3、4；用移液管移取5mL的乙二醇（EG）在15mL的三頸瓶中于110下回流1h, 然后稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和氯化鈀（PdCl2），分別溶于5mL的EG中，待溶解完全后，以緩慢的速度滴加至三頸瓶中，反應9h待溶液變成灰色后，分別用丙酮、去離子水洗滌干凈，60下真空干燥，即可得到Pd納米晶。為了便于比例可控的組裝，將其配置成一定濃度的液體溶膠，由此，可以得出，0.5%

7、是Pd納米晶在ZnO納米線表面的最佳修飾量。單分散Pt納米晶的合成方法類似于文獻1、3、5；稱取一定量的PVP溶于7mL的EG溶液中，然后將上述溶液轉移入15 mL的三頸瓶中，于160下回流10min，然后再稱取一定量的氯鉑酸（H2PtCl6），溶于1mL的EG中，待溶解完全后，滴加至三頸瓶中，反應3-4min待溶液變成黑色后，分別用丙酮、去離子水洗滌干凈，60下真空干燥，即可得到Pt納米晶。為了便于比例可控的組裝，將其配置成一定濃度的液體溶膠，可以的得出Pt納米晶也可以用于改善ZnO納米線的氣敏性能。而對于Pt納米晶修飾后的ZnO納米線對不同氣體的選擇性不如Pd納米晶修飾后的ZnO納米線，可

8、能是因為Pt的增敏機制是屬于化學敏感型，即貴金屬Pt只是作為催化劑來起作用。表1 ZnO納米線表面的Pd納米晶密度與氣敏性能關系Pd納米晶的修飾量0.0%0.3%0.5%1.0%氣敏性能21.8342.5732.1497.84、 本課題目前研究進展制備的這種結構的氣敏元件, 首先用化學沉淀法合成了純ZnO微細粉，用浸漬法合成了Ru2ZnO氣敏材料及Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Pt 等Al2O3 基催化劑。采用靜態配氣法測試了ZnO單層膜及雙層膜旁熱式氣敏元件的敏感特性。實驗結果表明， Ru的摻雜可提高ZnO的氣體靈敏度, 催化劑涂層的施加可改善Ru2ZnO 對汽油、乙醇、丁烷的氣敏選擇性。通

9、過貴金屬納米晶的修飾可以顯著提高ZnO納米線的氣敏性能：經過Pd納米晶修飾之后的ZnO對H2S氣體的選擇性非常良好，而且還將對H2S氣體的檢測下限降低至200ppb；經過Pt納米晶修飾后的ZnO納米線，顯著提高了對酒精和甲醛氣體的響應，可以檢測濃度低至250ppb的酒精和1ppm的甲醛氣體。Au納米晶修飾ZnO納米線后提高了對酒精和一氧化碳的靈敏度和檢測下限。并適當降低ZnO的工作溫度。并采用單分散的貴金屬納米晶體對ZnO納米線進行修飾，獲得對貴金屬納米晶體組裝規律的認識。采用單分散的貴金屬納米晶修飾的方法可以顯著提高半導體金屬氧化物的氣敏性能，這將為以后提高半導體金屬氧化物氣敏材料的性能提供

10、新的道路。在研究該組裝體系氣敏性能的基礎上，得到具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性，并且具有低檢測下限的氣體敏感材料，這將為以后提高半導體金屬氧化物材料性能提供了新思路。參考文獻 【1】. Z. L. Wang, J. H. Song, Science 312 (2006) 242-246. 【2】. M. L. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Q. Yan, Y. Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo, P. D. Yang, Science 292 (2001) 1897-1899. 【3】. J. Zhou, N. S. Xu, Z.

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14、are, R.; Maaref, M.; Aguir, K. Sens. Actuators, B 120 (2006) 338.附：外文翻譯1.翻譯題目（中英文）中文：納米ZnO氣敏傳感器的研制英文：Nanometer ZnO gas sensor2.英文摘要One dimension (1D) nanoscale materials have stimulated great interest in current materials science due to their importance in such basic scientific researches and potent

15、ial technology applications as microelectronic devices, chemical and biological sensors, light-emitting displays, catalysis, energy conversion and storage devices. In this dissertation, Zinc oxide (ZnO), a typical semiconductor, was used as my research objects. Valuable explorations have been carrie

16、d out on the self-assemblies of ZnO nanowires as well as their gas sensing properties. Single-crystalline ZnO nanowires were modified with noble metal nanoparticles through self-assemblies for constructing gas sensors with excellent performances. The devices built with noble metal nanoparticle modif

17、ied ZnO nanowires exhibit not only high stability attributed to ZnO nanowires, but also highly enhanced response from ppm to ppb level, because of the monodisperse noble metal nanoparticles-promoters. The self-assembly strategy shows advantages of easily controlling the amount of noble metal nanopar

18、ticles decorated on the surfaces of nanowires and further tuning the functionalities of gas sensors. The high stability, response and selectivity of our gas sensors indicate that it is a convenient and powerful pathway to build chemical sensors with tunable functionalities through self-assemblies of nanosized building blocks.3.中文摘要一維納米材料由于其獨特的光、電、磁、敏感及機械性能，是研究