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碳纳米管电离式气体传感器的基础研究

颜丙勇  
【摘要】: 碳纳米管具有优良的气体吸附性能及电学性能,在气体传感领域具有巨大的应用潜力。目前国内外对碳纳米管气体传感器的研究主要集中在晶体管型、电导型以及电容型,这些传感器主要是利用碳纳米管吸附气体后电学性能的变化来检测气体的,但是其应用受到诸如低吸附性气体检测困难、化学吸附具有不可逆性、受检测环境影响等因素的限制。而电离式气体传感器不受上述因素限制,尤其是利用碳纳米管尖端纳米尺度的曲率半径,在较低的电压下使气体发生电离,可以得到高性能电离式气体传感器。但目前对碳纳米管电离式气体传感器的研究还处于探索阶段,有些基础问题尚需研究。 本文首先从碳纳米管的制备开始,在理论分析的基础上,研究氦气保护气压、生长促进剂FeS及不同生长位置等因素对电弧放电方法得到的碳纳米管的影响,确定了SWNTs制备的最佳工艺;然后采用水汽氧化法对制备的单壁碳纳米管进行提纯,并用旋涂法制备碳纳米管薄膜,对其导电性能进行研究;利用单壁碳纳米管薄膜为电极,研究了多种气体的气体放电性能,并同阵列式多壁碳纳米管薄膜的气体放电性能进行比较;最后研究制备35μm电极间距的电离式单壁碳纳米管气体传感器的原理性器件,测试其基本性能。主要研究结果如下: 经过对不同工艺制备的碳纳米管样品进行分析和表征,发现氦气保护气压、生长促进剂FeS和采样位置对电弧放电法制备碳纳米管的纯度和直径有影响。同一大气压下,网状产物中SWNTs含量最高。较高的氦气气压有利于SWNTs的生长,其原因是由于高气压时冷却速率高,有利于碳纳米管生长。FeS高温分解后的气态硫使催化剂颗粒表面的液相区在一个更大的温度范围和空间内存在,有利于碳纳米管的生长,硫作为交联剂也可以提高SWNTs产率;硫能使大尺寸的形核基稳定存在从而生长出直径较大的SWNTs。根据理论分析和试验结果确定了最佳工艺。 使用水蒸汽在高温800℃下对原始样品处理12小时后酸洗,可以获得纯度达93%的SWNTs,表明水蒸汽氧化处理能选择性地去除原始样品中的杂质,且对单壁碳纳米管的破坏较小。利用旋涂法在电极上制备出无序碳纳米管薄膜;薄膜导电性较好,适合作为气体电离传感器的放电电极;还发现其电流-电压关系为非线性,在同一测量电压下,薄膜的电流与膜厚成直线关系。 对旋涂法得到的单壁碳纳米管薄膜的气体放电特性及其影响因素进行了研究。在电极间距为150μm时,待测气体能够在较低的电压下(100~307V)电离,不同的气体电离阀值电压各不相同,据此可以对气体进行检测。其机理是部分碳纳米管尖端伸出薄膜表面和负极构成了一种典型的point-to-plane电晕放电电极结构,单壁碳纳米管纳米尺度的曲率半径导致在较低的外加电压下就会在其尖端附近形成高强度非均匀电场,使气体发生电晕放电。气体压力对气体电离的阈值电压影响不大,放电电流与单位体积气体分子摩尔数的对数成正比。气体的电离阈值电压随电极间距的减小而降低。碳纳米管的直径越小,阈值电压越小。与化学气相沉积方法得到的直立式多壁碳纳米管相比较,旋涂法单壁碳纳米管薄膜电极的气体电离阈值电压要低30V左右,等离子处理对改善直立式多壁碳纳米管的气体放电性能有帮助。 利用硅的微加工技术以及碳纳米管涂布技术制备了电极间距35μm的电离式碳纳米管气体传感器。对器件的在不同气氛中的电离阈值电压进行了测试,结果表明,对于该器件,Ar,N2,CO,H2分别在12.5V, 17.5V, 32.5V和15V左右发生电离。


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