基于氧化镍p

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作者：

刘莹

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摘要：

传感器技术作为人类认识自然和感知自然的工具已经成为最热门的研究领域,它具有非常广阔的应用价值和商业意义.其中,气体传感器和湿度传感器作为最基础的两种传感器得到了科学家们大量的研究,它们在日常生活和工业生产中的应用范围极为广泛:例如,有毒有害,易燃易爆气体的检测,生产环境中气体和湿度氛围的监控,室内环境的监控,都离不开气体和湿度传感器.因此,探索和研发低成本,高灵敏度,高稳定性和高性能的气体传感器和湿度传感器一直是传感器领域内的研究热点.近年来,高灵敏度丙酮气体传感器得到了广泛的关注和发展.丙酮作为一种常见的挥发性有机化合物,自然环境和人为活动中都存在它的排放源,如生物排放,汽车尾气,溶剂利用和工业排放等.丙酮气体与空气混合后,遇到明火和高温极易燃烧爆炸,会造成严重的安全问题.另外,丙酮还具有刺激性,会对人体健康造成严重的不利影响,严重的可能会导致生命危险.有研究表明,人类呼出的气体中含有一定浓度的丙酮气体,健康人士和糖尿病患者的呼出气体中所含丙酮的浓度是不同的,所以丙酮可以作为检测糖尿病的生物标志物.显然,丙酮气体的检测已成为一个新的研究热点.湿度是环境的一个重要特征,湿度的精确测定,连续监测和实时控制在气象,农业和电子设备存储等许多领域发挥着重要作用.例如,为了获得一个理想的周围环境,必须在低温,高温或者与其他气体混合的不同条件下,通过精密的传感器监测,检测和控制环境湿度.结合智能系统和网络,利用湿度传感器来监测农业灌溉期间的土壤湿度,或用于诊断基础设施和土木工程中的腐蚀和侵蚀,也是湿度传感器的重要应用之一.事实上,为了满足人们对高性能丙酮气体传感器和湿度传感器的需要,科学家们已经基于各种有机,无机或杂化材料,采用物理和化学等制备方法,对二者展开了大量研究.无机金属氧化物半导体及其复合材料已经被证明是传感领域的理想敏感材料.氧化镍(NiO)作为典型的宽禁带p型过渡金属氧化物半导体材料,具有良好的传感性能,虽然与多数n型金属氧化物半导体相比,其性能还有待于进一步改善,但是NiO具有许多显著的优点如高的热力学稳定性和催化活化性能,仍然是一个非常具有研究价值的气敏,湿敏材料.本文以p型宽带隙半导体NiO二维纳米片自组装分等级花状微球为研究对象,通过引入其他n型金属氧化物半导体,制备具有p-n异质结构的复合材料,并对复合材料的微观形貌进行控制,以提高材料的传感性能.具体研究内容包括:(1)通过水热合成法,以CeCl_3·7H_2O和NiCl_2·6H_2O分别作为铈源和镍源,合成不同比例(0.5 mol%,1 mol%,2 mol%,3 mol%)的分等级花状微球结构的NiO-CeO复合材料.对材料进表征测试以及丙酮气敏测试,NiO-CeO复合材料对丙酮的响应具有良好的稳定性,响应恢复时间需要进一步缩短,提高其实用性.(2)采用水热合成法,利用Zn(NO_3)_2·6H_2O作为锌源,Ni(NO_3)_2·6H_2O作为镍源,合成了不同比例的分等级花状微球结构NiO-ZnO复合材料,并进行了系统的表征测试.实验制备了基于NiO-ZnO复合材料的气体传感器,测试其对丙酮气体的敏感特性,实验结果表明,NiO-ZnO材料对丙酮响应迅速,在50 ppm丙酮条件下,响应时间仅需15 s,且随丙酮浓度增加,响应值呈线性增长.(3)本章节对NiO-CeO材料进行了室温湿敏性能研究.在室温条件下,测试了材料在11%-95%的相对湿度(RH)范围内的响应恢复,频率特性和湿滞效应,并采用复阻抗测试分析其湿敏机理.实验结果证明NiO-CeO对于湿度的响应迅速(30 s),具有良好的稳定性(循环测试时响应恢复稳定),有制备高性能湿敏传感器的潜力.

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学位级别：

硕士