光敏气敏性半导体纳米材料的制备及性能研究

【摘要】：半导体纳米材料独特且优异的光学、电学和光电转换等特性,使其在各类功能器件(如光探测器和气体传感器等)中有广泛的应用前景。寻找简便的方法制备性能优异的半导体纳米材料是拓宽其应用范围并最终实现生产应用的关键。本论文以金属氧化物和导电聚合物半导体纳米材料为研究对象,采用静电纺丝法和溶液法,制备出组成和结构优化的半导体或半导体复合结构,研究和讨论其光敏性、气敏性以及复合结构中N型金属氧化物半导体与P型导电聚合物界面的PN结特性及应用。 氧化锌(ZnO)是一种重要的金属氧化物半导体材料,为提高ZnO纳米纤维器件的光敏性和实现室温下对低浓度有机气体的高敏感性,论文在静电纺丝制备ZnO纳米纤维的过程中掺杂Au颗粒制备出Au/ZnO纳米纤维。光敏性研究结果表明,Au/ZnO(?)内米纤维器件的紫外光敏性优于ZnO纳米纤维,且对可见光也敏感。气敏性研究结果表明,紫外辐射下,Au/ZnO纳米纤维器件对有机气体的相对敏感度高于ZnO纳米纤维,0.20mol.% Au/ZnO纳米纤维器件对5 ppm乙醇的气体相对敏感度达0.31；气敏性的提高归因于有机气体在Au/ZnO纳米纤维表面光化学反应的改善。另外,也考察和分析了不同紫外光波长下对不同有机气体的敏感性差异。 聚苯胺(PANI)是一种重要的有机导电聚合物半导体,其结构形貌对其性质和应用有很大影响,其中PANI纳米管是提高其功能性应用的一种重要纳米结构。论文结合静电纺丝技术和化学聚合法提出一种制备PANI纳米管的新方法。首先用静电纺丝法制得Mn2O3纳米纤维,然后以Mn2O3纳米纤维为活性模板制备PANI纳米管,其中,Mn2O3纳米纤维作为氧化剂参与反应自动去除。所得PANI纳米管平均外径80 nm,平均内径38 nm。该纳米管器件可检测到ppb级氨,对25 ppb和50 ppb氨的相对敏感度分别为0.11和0.33,响应时间约50s,且对氨的敏感性可逆,通空气约100s后就可恢复。 为进一步提高PANI纳米材料对氨的敏感性,利用P型半导体与N型半导体界面间的PN结特性,论文中制备了一种P型PANI和N型氧化钛(TiO2)分布于整个纤维的PANI/TiO2复合纳米纤维结构,并研究其对氨的气敏性。为得到此复合结构,首先采用静电纺丝法制得Mn3O4/TiO2纳米纤维,然后利用Mn3O4的强氧化性引发单体苯胺发生聚合反应,最后Mn3O4被消耗掉而得到PANI/TiO2复合纳米纤维。气敏性测试结果表明,PANI/TiO2复合纳米纤维器件对氨的敏感性优于单独的PANI。P型PANI与N型TiO2之间较好的接触及通入氨后对PANI和PN结通道的综合影响作用,是PANI/TiO2复合纳米纤维敏感性提高的主要原因。另外,PANI/TiO2复合纳米纤维对氨的气敏性受TiO2含量的影响,当复合纳米纤维中Ti02含量为40.74wt.%时,对氨的敏感性最优,对25 ppb氨的气体相对敏感度达0.43。 ZnO是一种典型的N型半导体,PANI是一种P型半导体,可以利用两者界面的PN结特性构建新型光电功能器件。论文中首先用水热法制各N型ZnO纳米棒阵列,用快速混合法结合极稀溶液沉积法制备P型PANI薄膜,然后组装成三明治结构器件FTO-ZnO-FTO、FTO-PANI-FTO和FTO-ZnO/PANI-FTO,研究其伏安特性曲线。FTO-ZnO/PANI-FTO器件的伏安特性曲线是非线性不对称曲线,在偏压2.0 V时的整流比为16,开启电压约0.5V,反向突破电压为-27V,整流现象证实了PN结的形成。还考察了紫外光和氨对FTO-ZnO/PANI-FTO器件伏安特性曲线的影响。另外,还构建了一种随紫外辐射电流下降的独特光敏器件(PANI/ZnO)。