基于碳納米管的氣體傳感器制備及其特性研究.pdf

1、隨著納米技術的發(fā)展,為設計低能源消耗、高靈敏度、低成本、便攜式傳感器創(chuàng)造了巨大的潛力。作為新興的納米材料,碳納米管優(yōu)異的導電性能、高比表面積和獨特的中空結構使其成為氣體分子吸附的理想材料。常用的半導體金屬氧化物氣敏材料通常需要在較高的溫度下才正常工作,表現(xiàn)出半導體特性;但是較高的工作溫度會給氣敏元件帶來如能耗損耗較大、使用壽命降低等諸多問題,甚至可能會使氣敏元件成為爆炸源,成為安全隱患。
　　本論文圍繞制備基于碳納米管的氣體傳感器

2、為核心出發(fā),在實驗室場致發(fā)射的碳納米管陣列制備工藝上,對碳納米管陣列制備工藝進行研究分析,制備適合氣敏傳感的碳納米管陣列薄膜,對其進行優(yōu)化改性,并進行相關氣敏特性測試;同時將純化的無序碳納米管與半導體氧化物制備復合氣敏材料,研究碳納米管摻入量對半導體氧化物氣敏特性的影響以及其復合氣敏材料的氣敏特性。其主要研究內容和成果如下:
　　1)采用MPECVD法制備的碳納米管,2.5nm厚Al層作為分散劑,1.2nm厚的Fe層作為催化劑,得

3、到了定向性好、排列整齊、長度一致垂直碳納米管束陣列;碳納米管陣列長度隨著生長時間增加而增加,碳納米管陣列表現(xiàn)出P型半導體性質;生長時間為60s的碳納米管表現(xiàn)出最優(yōu)的靈敏度,但是直接生長的碳納米管表現(xiàn)出較低的靈敏度。
　　2)生長時間為60s的碳納米管陣列通過400°C退火處理,可以除去碳納米管生長的如無定形碳等副產(chǎn)物或引進功能團,從而顯著提高其靈敏度,對NH3和NO2表現(xiàn)出最好的靈敏度,對CH4等幾乎沒有響應;對比分析叉指型、連續(xù)

4、薄膜型兩種碳納米管傳感器中,叉指型碳納米管傳感器具有有優(yōu)異的叉指尺寸,使得其表現(xiàn)出最優(yōu)氣敏特性;但是碳納米管本身具有較高電導率,器件結構的優(yōu)化不能顯著提高其靈敏度。
　　3)采用混酸(濃硫酸和濃硝酸比例為3:1)處理的含有雜質碳納米管處理,得到純化的碳納米管并對其引入增強其氣敏特性的官能團。采用溶膠凝膠法制備氧化鎢,并與純化后的碳納米管制備出CNT/WO3復合氣敏材料。由于碳納米管具有良好的導電特性,氣敏元件的電阻值隨著碳納米管的

5、摻入量增加而急劇減少;當碳納米管摻入量為1％時,氧化鎢對50ppm的NO2表現(xiàn)出最佳的靈敏度為7.4％;同時在選擇性測試中,CNT/WO3復合材料對NH3和NO2具有較高的靈敏度。
　　4)采用溶膠凝膠法制備的氧化鋅為典型的N型半導體,其電阻隨著碳納米管的摻入量增加而顯著減少,導致其半導體特性發(fā)生改變;碳納米管摻入量為2％的氧化鋅對50ppm的乙醇表現(xiàn)出最佳的靈敏度為9.8％;通過選擇特性測試發(fā)現(xiàn), CNT/ZnO復合材料對乙醇具