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《新疆大学》 2019年
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金属掺杂氧化锌基相对湿敏传感器性能研究

林存冲  
【摘要】:近年来,由于在人类生活和工业生产中对湿度的监控越来越严格,因此湿度传感器获得了极大的应用与普及,而湿度传感器的性能取决于对湿度敏感材料的选择。氧化锌(ZnO)半导体材料由于其极好的结晶性,高电子霍尔迁移率和良好的热稳定性,尤其是结构形貌的可控性,成为研发低成本、高性能湿度传感器最有潜力的材料之一。然而纯氧化锌(ZnO)湿敏材料依然存在选择性、稳定性、抗干扰能力差等问题,因此期望利用金属元素对ZnO进行修饰来提高氧化锌湿敏材料的性能。金属元素的修饰可以促进氧化锌(ZnO)纳米半导体材料形成具有大比表面积,高活性位点,丰富氧空位的新型湿敏材料。另外,金属元素的修饰还能够增强氧化锌(ZnO)纳米半导体材料的电学特性。因此,吸引了人们对合成新型氧化锌(ZnO)基湿度敏感材料极大的兴趣,成为研发低成本高性能湿度传感器最热门的材料。基于以上观点,本文利用镁和金纳米粒子(AuNPs)成功改性了ZnO纳米半导体材料,对其研究如下:一.通过溶胶-凝胶法成功制取了具有高活性位点和丰富氧空位的Mg掺杂ZnO微米球。经过形貌和结构的分析可知Mg~(2+)成功的掺进了ZnO的晶格中。在室温的条件下,对Mg掺杂ZnO纳米材料进行了湿敏测试。结果表明Mg掺杂ZnO(1.5mol%)微米球在湿度从11%至95%RH的环境中具有最佳的湿敏性能。Mg掺杂ZnO(1.5mol%)阻抗变化约4个数量级,且具有良好的线性响应,小滞后性(4.1%),快速的传感恢复时间(12 s)及响应时间(24 s)。此外,用复阻抗图谱分析了Mg掺杂ZnO(1.5mol%)微球的感湿机理,为湿敏材料进一步优化和器件结构的设计提供了理论指导。二.利用溶胶-凝胶法成功的获取了具有高灵敏度湿度传感性能的纳米金粒子(AuNPs)修饰的黑色ZnO纳米棒(6mL AuNPs)。从EDS和TEM的结论可知纳米金粒子(AuNPs)成功的与黑色ZnO进行了复合。通过SEM清楚地观察到AuNPs/ZnO(6mL AuNPs)纳米棒垂直排列生长并且其内部是相互联通的骨架空间结构,这样的形貌结构可以对水分子进行快速地传递和运输,从而增强其湿敏性能。湿敏测试结果表明,在不同湿度(11%RH到95%RH)环境下,AuNPs/ZnO湿度传感器比纯ZnO湿度传感器具有更快的响应,AuNPs/ZnO湿度传感器(6mL AuNPs)的灵敏度比纯ZnO湿度传感器高出三个数量级的变化,湿度滞后性低至2.8%,响应和恢复时间分别为32.6s和5.6s。
【学位授予单位】:新疆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.1;TP212

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