氧化鋅納米材料的制備及其氣敏性特性研究畢業(yè)論文

1、編號(hào)： 11006310022南陽師范學(xué)院 2015 屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 氧化鋅納米材料的制備及其氣敏性特性研究完 成 人：王洋班 級(jí)：2011-04學(xué) 制： 4 年專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：徐秀梅完成日期：2014-04-22目錄摘要 (1) 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。第一章 緒論 (2)1.1 納米技術(shù)簡介 (2)1.1.1 納米技術(shù)的簡介 (2)1.1.2 納米技術(shù)的含義 (4)1.1.3 納米材料含義 (5)1.2 ZnO 納米材料 (6)1.2.1 ZnO 納米材料簡介 (6)聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈。1.2.2 ZnO 納米材料的分類 (8)殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。1

2、.3 ZnO 半導(dǎo)體氣體傳感器 (9)釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.3.1 半導(dǎo)體氣體傳感器原理 (9)彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.3.2 ZnO 半導(dǎo)體氣體傳感器分類 (10)謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。1.3.3 半導(dǎo)體氣體傳感器性能指標(biāo) (10)廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。1.4 制備方法及研究現(xiàn)狀 (11)煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。第二章 ZnO 納米材料的制備 (13)鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。2.1 實(shí)驗(yàn)所用材料及儀器 (13)籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。2.2 ZnO 制備原理及過程 (13)預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 (17)滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。2.4 ZnO 氣體傳感器的氣敏機(jī)理 (

3、19)鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。2.5 ZnO 氣體傳感器的性能測試 (20)擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。2.6 小結(jié) (23)第三章 納米材料的現(xiàn)狀及前景 (24)贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。參考文獻(xiàn) (25)Abstract (27)氧化鋅納米材料的制備及其氣敏性特性研究作 者：王 洋 指導(dǎo)老師：徐秀梅摘要： 以二水乙酸鋅（ C4H10O6Zn） 和水合肼（ N2H4?H2O）為原料，采用 低溫水熱制備分等級(jí) ZnO 納米材料，通過（ XRD ），透射電鏡（ TEM），掃描 電子顯微鏡（ SEM），光致發(fā)光譜等 1對(duì)所制備的氧化鋅樣品進(jìn)行表征并分析晶 體結(jié)構(gòu)，通過交叉實(shí)驗(yàn)分析其生長機(jī)理， 進(jìn)而進(jìn)行氣敏性的

4、研究。 檢測所測氣體 的組成及其含量由氣體傳感器完成，而氣體傳感器由 ZnO 敏感材料為基體材料 制得進(jìn)行。 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。關(guān)鍵詞： 水熱法；氧化鋅；傳感器；氣敏性第 0 頁（ 共 27 頁）第一章 緒 論1.1 納米技術(shù)簡介科技進(jìn)步帶動(dòng)了城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展。 人類社會(huì)已經(jīng)經(jīng)歷了兩 次工業(yè)革命， 這兩次工業(yè)革命給人類帶來了極大的便利， 但是也帶來 了一系列問題。例如，工業(yè)生產(chǎn)，煤礦燃燒，汽車尾氣等排放的廢氣 越來越多，這些排放的廢氣對(duì)人類的生存與發(fā)展造成的危害日益嚴(yán) 重，不容小覷。 慶幸的是，越來越多的人注意到了大氣問題對(duì)人與自 然所造成的危害，開始關(guān)注這一問題，關(guān)注人類自身的健康與

5、安全。 為了改善人們的居住條件和提高生活質(zhì)量， 很多國家制訂了相應(yīng)的法 律法規(guī)，我國政府也制訂了符合我國國情的法律法規(guī)。 蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。各種各樣的氣體在人們的生活中必不可少， 無法替代。 有些是人 類健康至關(guān)重要的的氣體，如 O2、CO2、N2；有些是環(huán)境和人體健康 的殺手含碳氧化物的不完全燃燒 CO，硫的氧化物，氮的氧化物 等；有些是室內(nèi)裝修所產(chǎn)生甲醛，氨氣，硫化氫，氯乙烯，苯乙烯等 氣體。因此開發(fā)和研究高性能的氣體傳感器是未來的趨勢。 一些常見 常用的傳感器，由 SnO2，F(xiàn)e2O3，ZnO 作為基體材料制備的傳感器等 等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與日常生活。其中 ZnO 半導(dǎo)體氣體傳感器

6、以 其獨(dú)特的優(yōu)勢 對(duì)氣體反應(yīng)迅速，耗電量少，適合帶出去，可靠系 數(shù)高等，在眾多傳感器中鶴立雞群，被廣泛應(yīng)用 。 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。1.1.1 納米技術(shù)的簡介納米技術(shù)一般指納米級(jí) (0.1-100 nm) 的材料設(shè)計(jì)、制造、測量、第 1 頁( 共 27 頁) 控制和產(chǎn)品的技術(shù) 2。納米技術(shù)主要包括：納米粒子的測量、加工、 制備、組裝技術(shù)；納米材料；納米生物學(xué)技術(shù)；納米物理學(xué)；納米化 學(xué)等3 。納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的技術(shù)支撐，只有這兩項(xiàng) 技術(shù)取得發(fā)展， 其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)才能進(jìn)步。 納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重 要的內(nèi)容，也是我們研究的主要內(nèi)容。目前，研制出的納米產(chǎn)品涉及 人們衣食住行的各個(gè)方

7、面： 納米防輻射服可以有效地幫助人們減 少來自電子產(chǎn)品和太陽的輻射； 納米炊具具有良好的導(dǎo)電性和殺 菌作用 ,對(duì)人體無毒無害；納米涂料這樣的涂料顆粒細(xì)膩，美觀， 耐用，刷出來對(duì)人體傷害也??；納米技術(shù)制造的器件性能優(yōu)異，可延 長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和提高工作效率；還有納米機(jī)器人、納米衛(wèi)星、 納米人造器官等。 未來， 納米技術(shù)的發(fā)展一定會(huì)影響人類的生產(chǎn)生活 方式 。 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。在納米技術(shù)的發(fā)展歷程中，世界各國的許多科學(xué)家作出了杰出 的貢獻(xiàn)。納米技術(shù)的概念最早由加州理工大學(xué)的費(fèi)曼教授在 1959 年 提出的，這一概念在 1990年由 IBM 公司的科學(xué)家做出了證明。他們 對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行重新排

8、列， 使得納米技術(shù)突飛猛進(jìn)。 納米材料的制備 主要存在三個(gè)問題： 材料結(jié)構(gòu)的尺寸是否達(dá)到納米級(jí)、 材料純度是否 足夠高、所得材料的成份是否合理。一旦這三個(gè)問題被解決，就會(huì)使 得納米材料的制備技術(shù)突飛猛進(jìn)， 產(chǎn)生大量的嶄新器件。 納米技術(shù)是 一種高新技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊，屬于朝陽產(chǎn)業(yè)，人們的研究主要集中 在基礎(chǔ)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面。 納米技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益巨大， 各 國都爭相開發(fā)研究， 我國也不例外。 我國曾召開納米科技發(fā)展戰(zhàn)略研第 2 頁（ 共 27 頁）討大會(huì)，制訂了一系列的的扶持政策及法律， 極大地推動(dòng)了我國納米技術(shù)的發(fā)展。因此，我國的納米技術(shù)與世界同步。 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。1.1.2

9、 納米技術(shù)的含義納米（ nm），一種長度單位， 1 nm=10-9 m 的長度。形象的說， 是一個(gè)頭發(fā)徑向的五萬分之一，每根直徑約為 1 nm。納米技術(shù)，從 微觀上來說，是指尺寸在 0.1-100 nm范圍內(nèi)，研究原子、分子和電子 內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)嶄新技術(shù) 3 。利用這些納米尺度范圍內(nèi)的 若干個(gè)原子、分子，對(duì)其進(jìn)行加工，制造成器件設(shè)備 4 。但是，對(duì)納 米材料進(jìn)行簡單的加工并不能稱之為納米技術(shù)， 因?yàn)樗鼪]有表現(xiàn)出任 何新的結(jié)構(gòu)和性能。 納米技術(shù)是通過特定的技術(shù)， 對(duì)納米材料的分子、 原子進(jìn)行特定的排列或加工重組， 使之產(chǎn)生新的特性和功能， 這樣的 技術(shù)可以稱之為納米技術(shù)。納米技術(shù)是一門

10、交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科， 研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。 1993 年，國際納米科技指導(dǎo) 委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米 生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計(jì)量學(xué)等 6 個(gè)分支學(xué)科。其中，納米物理 學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)， 而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重 要的內(nèi)容 。 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。納米技術(shù)與傳統(tǒng)的微電子技術(shù)不同，納米技術(shù)利用電子的波動(dòng) 性，研究的是單個(gè)的分子、 原子，通過對(duì)他們的控制來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的特 定功能 5；微電子技術(shù)利用電子的粒子性，主要通過控制電子群來實(shí) 現(xiàn)其功能 6。兩者有著本質(zhì)的區(qū)別 。 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。第 3 頁（ 共 27 頁）1.1.

11、3 納米材料含義納米材料 （圖 1.1）是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范 圍或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料 7 。納米材料主要以下幾個(gè)性 質(zhì)： 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。 表面效應(yīng) 又稱界面效應(yīng)，是指納米晶體微粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨微粒半徑變小而急劇增大后所引起納米材料的性質(zhì)上的變化 8 。如果 納米顆粒尺寸減小， 會(huì)造成表面原子數(shù)量增多。 因?yàn)槲挥诒砻娴脑?占了納米體積相當(dāng)大的一部分， 兩者的比例也是判斷納米材料的一個(gè) 重要指標(biāo) 9。表面原子易于其他原子結(jié)合，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 。 輒嶧陽檉籪 癤網(wǎng)儂號(hào)澩。 小尺寸效應(yīng)當(dāng)顆粒的尺寸變小， 會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象： 一種是物體的性質(zhì)不發(fā)生 變化

12、，另一種就是物體的性質(zhì)發(fā)生變化：顆粒的邊界被破壞，從而使 其聲、光、電、磁等性能呈現(xiàn)出異常的現(xiàn)象周期性邊界被破壞，從而 使其聲、光、電、磁等性能呈現(xiàn)出異常的現(xiàn)象 10 這就是小尺寸效 應(yīng)。 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。 量子尺寸效應(yīng)形成固體的原子的能級(jí)和在一起形成了能帶， 原子的能級(jí)間距很 小，因此能帶可以看做是連續(xù)的 10。當(dāng)能帶分裂時(shí)，微粒的光子能、 電能、磁能等比平均間距還要小，物體會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的性質(zhì)， 我們把性質(zhì)叫做量子小尺寸效應(yīng)。 識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。第 4 頁（ 共 27 頁） 宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng) 10 。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)， 它

13、們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化， 這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng) 10 。 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。圖 1.1 各種納米材料結(jié)構(gòu)1.2 ZnO 納米材料1.2.1 ZnO 納米材料簡介第 5 頁（ 共 27 頁）圖 1.2 ZnO 的基本性質(zhì)氧化鋅（ ZnO）俗稱鋅氧粉、鋅白粉。常溫下難溶于水的的兩性 氧化物，密教比較大，硬度較小。激子束縛能比較高。高能帶隙使得 ZnO 的導(dǎo)電性好，維持電場能力強(qiáng)和擊穿電壓高。 半導(dǎo)體的禁帶寬度 取決于能帶結(jié)構(gòu) 11 。如果要改變 ZnO 的禁帶寬度可以摻雜一定量的MgO。由于雜質(zhì)能帶的出現(xiàn)會(huì)使能帶隙在 3-4 eV 之間變化 。 恥諤銪滅縈歡 煬鞏鶩

14、錦。圖 1.3 氧化鋅的晶體結(jié)構(gòu)第 6 頁（ 共 27 頁）氧化鋅晶體有三種結(jié)構(gòu)，如圖 1.3 所示，從左到右依次是：八面 體結(jié)構(gòu)、 立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)、 六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu) 12。ZnO 的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨 著外界條件的改變而改變。 其中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)最常見 晶體的氧原 子與鋅原子形成原子層，緊密相鄰，成理想的六邊形排列，因而結(jié)構(gòu) 最穩(wěn)定。從圖中也可以看出， ZnO 的晶體結(jié)構(gòu)成中心對(duì)稱， 因而具有 壓電效應(yīng)和焦熱電效應(yīng)， 因而可用來制作壓電傳感器 13 。閃鋅礦結(jié)構(gòu) 每個(gè)鋅或氧原子都與相鄰原子以離子鍵結(jié)合 13 ，形成正四面體結(jié)構(gòu)， 也有中心對(duì)稱性，因而具有壓電效應(yīng)，這也是 ZnO 晶體壓電張量高 的原

15、因之一。八面體結(jié)構(gòu)很少見，與 NaCl 結(jié)構(gòu)像似，每個(gè)鋅原子周 圍有 6 個(gè)氧原子，每個(gè)氧原子周圍有 6 個(gè)鋅原子，只有在特高壓的條 件下才能形成。 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。氧化鋅的用途很廣泛：在工業(yè)上，可用于合成橡膠、塑料，而且 有著色作用，還可以用來制作涂料、潤滑油、催化劑等 14 ；在電子產(chǎn) 業(yè)中，可用于制作液晶顯示屏，薄膜晶體管，精密器件等；在醫(yī)學(xué)方 面，氧化鋅由于具有殺菌消炎的作用，可以制成腳氣粉、橡皮膏、補(bǔ) 牙、做填充劑等。 氧化鋅的前景廣闊，具有極高的研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效 應(yīng)。 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。1.2.2 ZnO 納米材料的分類納米材料可以按照維數(shù)分為三類： 零維， 納米材料的三

16、維空間 尺度均在納米尺度的范圍內(nèi)，如納米顆粒，納米團(tuán)簇；一維，納米 材料的三維空間尺度有兩維尺度在納米尺度范圍內(nèi) 15 ，如納米絲，納 米管，納米棒；納米材料的三維空間尺度有一維尺度在納米尺度范 第 7 頁（ 共 27 頁）圍內(nèi)，有一維納米棒組成陣列和多空薄膜，片花狀結(jié)構(gòu)，如超薄膜， 多層膜，超晶格 16 。閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。圖 1.4 棒狀納米結(jié)構(gòu)圖 1.5 花狀的納米結(jié)構(gòu)圖 1.6 球形納米結(jié)構(gòu) 第 8 頁（ 共 27 頁）1.3 ZnO 半導(dǎo)體氣體傳感器1.3.1 半導(dǎo)體氣體傳感器原理半導(dǎo)體氣體傳感器工作原理是由變化的電導(dǎo)率決定的， 電導(dǎo)率隨 著溫度、壓強(qiáng)等其他因素變化 17 轉(zhuǎn)換成

17、電信號(hào)反映出來。 現(xiàn)在已經(jīng)成 功研制了很多傳感器：酒精、一氧化碳、硫化氫、氨氣等，以滿足工 業(yè)檢測需要。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，受光照，溫度，濕度，氣壓與時(shí)間等 因素影響較大，需要我們不斷改進(jìn)技術(shù)，以獲得更好的性能。目前， 傳感器向智能化、 數(shù)字化，迷你化的方向發(fā)展。 傳感器的研制、 開發(fā)、 制造、生產(chǎn)、銷售，帶動(dòng)了很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)， 人們爭相研究。 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。1.3.2 ZnO半導(dǎo)體氣體傳感器分類目前，金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要分為兩類： 電阻型和非 電阻型 18。具體劃分圖見圖 1.7。我們主要用電阻型傳感器，在這三 種中，燒結(jié)型傳感器因其獨(dú)特的優(yōu)勢： 開發(fā)研制的

18、早， 制作過程可控， 便于攜帶，市面上流行的比較多。但是，不利于大量生產(chǎn)，正在逐步 取代燒結(jié)型傳感器。 薄膜型傳感器主要缺點(diǎn)是制作過程不穩(wěn)定， 難以 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅?？刂?，優(yōu)勢是功耗低， 污染小，可以大量產(chǎn)出， 因而經(jīng)濟(jì)效益比較好， 受到人們的廣泛關(guān)注，是未來傳感器發(fā)展的重點(diǎn) 18 。慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長涼。第 9 頁（ 共 27 頁）圖 1.7 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器1.3.3 半導(dǎo)體氣體傳感器性能指標(biāo) 金屬氧化物氣體傳感器的性能判定指標(biāo)有很多： 靈敏度，穩(wěn)定性， 對(duì)氣體的反應(yīng)速度和恢復(fù)時(shí)間等 19。相對(duì)于其他傳感器， 金屬氧化物 半導(dǎo)體氣體傳感器具有許多優(yōu)勢： 首先，金屬氧化物氣體

19、傳感器靈敏 度高，對(duì)于對(duì)于污染環(huán)境的殺手 氮的氧化物和硫的氧化物等氣 體，靈敏度可以達(dá)到 ppb 等級(jí)；其次，反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間都很短，以最 少幾秒和最多幾十秒的速度讓其他傳感器甘拜下風(fēng)； 而且，金屬氧化 物半導(dǎo)體材料都是固體，適合帶出去，也方便進(jìn)行二次檢測，這是其 他傳感器所不具備的優(yōu)勢；耗電量少，使用期限長，電路簡潔易懂， 價(jià)格適中。這些優(yōu)異的性能的使得金屬氧化物氣體傳感器成為廣為應(yīng) 用和流行的傳感器 。 諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類。1.4 制備方法及研究現(xiàn)狀 傳感器的發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了三個(gè)階段： 第一階段 結(jié)構(gòu)型傳 感器，這一階段的傳感器制作粗糙， 靈敏度不高，也不耐用；第二 第 10 頁（ 共

20、27 頁）固體型傳感器， 這一階段傳感器取得了很大發(fā)展， 人們制造出了種類 繁多的傳感器，性能上也有很大提高；第三階段 智能型傳感器， 這一階段的傳感器的制造技術(shù)不太成熟， 剛剛發(fā)展起來， 總的來說越 來越智能化。 嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。制備 ZnO 納米材料的方法有很多， 根據(jù)其原理主要可分為三類： 化學(xué)法和物理法?；瘜W(xué)法包括氣相沉淀法，溶膠 -凝膠法（ Sol-gel）， 水熱法 20。化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)在于， 獲得的納米材料粒度純度高， 工藝流 程可控，材料的表面活性好； 缺點(diǎn)是樣品顆粒比較大， 容易粘在一起。 目前主要用于一維二維納米材料的制備。物理法包括氣相沉積法 （CVD ）、激光輻照法

21、等， 是指材料在光電技術(shù)的作用下在真空中或 者惰性氣體中分子或者原子形成納米材料。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫。眾所周知，不同的合成方法，會(huì)對(duì)納米材料的形貌，尺寸產(chǎn)生影 響，進(jìn)而影響到納米材料的性能。 所以人們對(duì)納米材料不斷進(jìn)行研究， 力圖獲得一種操作簡單，成本低，形貌規(guī)矩，尺寸均勻的方法。隨著 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工藝的改進(jìn)，人們對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)不斷加深，采 用的方法也越來越合理與先進(jìn)。本章我們主要介紹水熱法 。 鶼漬螻偉閱劍 鯫腎邏蘞。水熱法是指物質(zhì)在高溫和強(qiáng)壓的水溶液中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。 由于 反應(yīng)處于分子水平， 反應(yīng)性能高， 因而水熱反應(yīng)可以替代某些高溫固 相反應(yīng)21。與其他方法相比， 水熱法的流

22、程簡單、 過程可控并且價(jià)格 易于接受，沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生，所得的產(chǎn)物純度高，粒度細(xì)膩，是我們 研究的重點(diǎn) 。 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。第 11 頁（ 共 27 頁）第二章 ZnO 納米材料的制備2.1 實(shí)驗(yàn)所用材料及儀器二水乙酸鋅（C4H10O6Zn，純度 99，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司） ， 水合肼 （H6N2O， 80，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司 ） 。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。X 射線衍射儀（ XRD ，型號(hào) DIFFRACTOMETER-6000 型），透 射電子顯微鏡（TEM ，型號(hào): G2 F20 S-TWIN ），掃描電子顯微鏡（ SEM， 型號(hào) LE840EQD，LG Display ），反應(yīng)釜

23、（可自行設(shè)定反應(yīng)溫度，不 允許透氣） ，室溫?zé)晒夤庾V， 去離子水，干燥箱，離心機(jī)，馬弗爐22。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。2.2 ZnO 制備原理及過程二水乙酸鋅，又名乙酸鋅、二水醋酸鋅，白色單斜片狀晶體， 具有珍珠光澤，微帶醋酸味，熔點(diǎn) 100，沸點(diǎn) 242-4 ，相對(duì)密度 1.735g /cm3，可溶于水和乙醇，可用于檢測硫化氫、蛋白的試劑色譜 分析試劑，聚酯工業(yè)等。 銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。水合肼（ N2H4?H20）又稱水合聯(lián)氨，無色發(fā)煙液體，具有強(qiáng)堿性 和吸濕性。可以快速電離 OH-。在化學(xué)反應(yīng)時(shí)， OH- 與 Zn2+結(jié)合生成 Zn（OH） 2絡(luò)合物， Zn（OH） 2絡(luò)合物脫去一分子的

24、 H2O 形成 ZnO。ZnO 表面的原子比較活躍，在適合的生長的方向上生長迅速。隨著實(shí)驗(yàn) 擠 貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。條件的改變它會(huì)分化成分等級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)過程中的化學(xué)方程式： N2H4?H2O=N2H5+OH-第 12 頁（ 共 27 頁）Zn2+4OH-=Zn（OH）42- Zn（OH） 42- =ZnO +H2O+2OH- 從上述化學(xué)方程式可以看出影響分等級(jí)的納米結(jié)構(gòu)的因素有很多： 溶 液的溫度， PH 值，溶液中 Zn2+濃度等。X 射線衍射儀（ XRD ）X 射線屬于電磁波的一個(gè)分支，波長很短（ 0.06-20 nm），不借 助外在物體，肉眼無法觀察，因此需要我們借助 XRD 。X 射線

25、衍射 儀（XRD ）利用衍射原理， 可以觀察到某些由于突然減速而使外層電 子遷躍的電子流。利用 XRD（圖2.2）確定所得 ZnO 的形貌結(jié)構(gòu)，進(jìn)行 進(jìn)一步的分析。 X 射線一經(jīng)問世就被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域， 成為研究微觀 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一把利器 。 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。圖 2.1 X 射線衍射儀的工作原理透射電子顯微鏡（ TEM ）在光學(xué)顯微鏡下小于 0.2 的m細(xì)微結(jié)構(gòu)我們無法看清，因此要想看到更加細(xì)微的結(jié)構(gòu)必須用波長更短的光源， 以此提高顯微鏡的分辨率。目前 TEM 的分辨力可達(dá) 0.2 nm。分辨率 0.1 nm 以下的電鏡可用來觀察細(xì)微的物體形貌及結(jié)構(gòu)， 既能觀測原子或原字團(tuán)的排列， 又第

26、13 頁（ 共 27 頁）能確定其所處的空間位置塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫。圖 2.2 透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)圖掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscopy， SEM)的原理是： 電子槍發(fā)射電子束， 電子束與物質(zhì)的相互反應(yīng)， 獲取被測樣品本身的 各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)等 23 。掃描電 子顯微鏡正是根據(jù)上述原理， 采用不同的信息檢測器， 使選擇檢測得 以實(shí)現(xiàn)。 裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺。第 14 頁( 共 27 頁)圖 2.3 掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)圖圖 2.4 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖從圖 2.4 中可以看出組成反應(yīng)釜的器件眾多， 由防爆機(jī)、減速器、 第 15 頁（

27、 共 27 頁） 攪拌器及冷卻裝置、接地設(shè)備、測溫設(shè)備等組成。屬于特種設(shè)備，使 用時(shí)必須嚴(yán)格遵守與防爆要求，使用前進(jìn)行加壓、加溫測試，實(shí)驗(yàn)氣 體最好用惰性氣體， 嚴(yán)禁使用易燃易爆氣體； 操作過程中不能速冷速 熱，以防釜體破裂；每次用完必須及時(shí)清除高壓釜內(nèi)外的殘留物，所 有密封面必須經(jīng)常清洗，保持干燥 。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。 具體實(shí)驗(yàn)過程如下：在燒杯放入 2.1950g（10 mmol）的二水乙酸鋅和 60 ml 的去離 子水，兩者充分混合，用攪拌機(jī)攪拌 30 min ，再用膠頭滴管向溶液 中緩慢滴入 4 ml 水合肼（聯(lián)氨），再攪拌 30 min。將所得的溶液倒 入水熱釜中，再放入 160

28、oC的密封干燥干燥箱中，反應(yīng) 24 h，自然 冷卻至室溫。拿出溶液，用去離子水和乙醇（ C2H5O）H 對(duì)所得溶液反 復(fù)進(jìn)行離心洗滌，在 80oC的干燥箱中干燥 5 h 24 ，最后在 500oC的 馬弗爐中灼燒 2 h ，所得的白色粉末就是 ZnO。 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論將所的樣品的晶體結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)和形貌，分別用 X 射線衍射 儀（ XRD ，D/MAX-2500 型衍射儀， Cu的射線， =0.1541nm），掃 描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡進(jìn)行表征。 驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。第 16 頁（ 共 27 頁）圖 2.5 所得氧化鋅的 XRD 圖譜由水熱法得到氧化鋅

29、的 XRD 圖譜（圖 2.5）可知，樣品的衍射峰 與標(biāo)準(zhǔn)譜 （JCPDS no 36-1451）相符合 24。所得的特征峰明顯，既高又 細(xì)，比較集中，沒有其他明顯的衍射峰。此結(jié)果說明，我們所得的晶 體晶面規(guī)則，生長較好，純度較高，沒有其他雜質(zhì)產(chǎn)生 。 瑣釙濺曖惲錕縞馭 篩涼。圖 2.6 所的樣品的形貌特征從圖 2.6我們可以清楚的觀察到，樣品結(jié)構(gòu)與 SEM 圖一致。所 得樣品為花狀氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，有許多 3-5 m的納米棒組成。樣品第 17 頁（ 共 27 頁）的的尺寸大小適中，結(jié)構(gòu)清晰，并且沒有觀察到其他的形貌，說明這種方法得到的產(chǎn)品純度比較高 。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。圖 2.7 所的樣品

30、不同放大倍數(shù)的 SEM 圖圖 c 為樣品的側(cè)面， 圖 d 為樣品的正面， 可以看出所得樣品為花 狀結(jié)構(gòu)，具有分等級(jí)結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)為一維的納米棒組成，納米棒的 排列比較疏松，兩個(gè)相鄰的納米棒的距離為 0.2 m，氣體可以進(jìn)入到到傳感器內(nèi)部，兩者互相融合，充分反應(yīng)，減少待測時(shí)間，恢復(fù)起來 也會(huì)容易的多 。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。2.4 ZnO 氣體傳感器的氣敏機(jī)理第 18 頁（ 共 27 頁）從圖中我們可以看到，一個(gè)長約 10 mm 的環(huán)形氧化鋁陶瓷管， 陶瓷管，上下有四個(gè) Pt 導(dǎo)線，左右有兩個(gè) Ni Cr 的電極。將所得樣 品用去離子水稀釋，均勻的涂在氧化鋁陶瓷陶瓷管和電極上，放在 450oC

31、的馬弗爐中煅燒 2小時(shí)，得到了 ZnO 氣體傳感器，再進(jìn)行 轡燁棟 剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。為期一周的老化處理，最后進(jìn)行老化性能測試。那么，傳感器是如何工作呢？首先， 氣體傳感器獲取被測氣體的 相關(guān)信息：類別、成分、濃度等，再將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。我們 根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱判斷氣體的相關(guān)信息。當(dāng)傳感器工作在溫暖潮濕， 有廢氣的環(huán)境中， 在適宜的溫度下， 半導(dǎo)體氣體傳感器跟所接觸的氣 體（不是所有的氣體都可以發(fā)生反應(yīng) ）發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致電阻值 發(fā)生變化。 這是金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的氣敏特性。 金屬氧化 物半導(dǎo)體氣敏材料表面存在許多活性中心， 易吸附一些分子， 在加熱 或光照條件下，兩者進(jìn)行載流子

32、交換。 當(dāng)氧化物與還原性氣體 （氫氣， 一氧化碳，硫化氫等）接觸是時(shí)電子從還原性氣體轉(zhuǎn)移到氧化物表面， 兩者發(fā)生氧化還原反應(yīng)， 氧化物帶負(fù)電荷， 導(dǎo)致金屬氧化物電阻率發(fā) 生變化，在氧化物表面與內(nèi)部形成電場， 這一電場可以阻止電子從還 第 19 頁（ 共 27 頁）原性氣體向金屬氧化物轉(zhuǎn)移， 維持金屬氧化物內(nèi)外的平衡狀態(tài)。 同理， 當(dāng)金屬氧化物與氧化性氣體（氧氣，臭氧，氯氣）接觸，電子從金屬 氧化物轉(zhuǎn)移到氣體身上，金屬氧化物帶正電荷，二者發(fā)生氧化 峴揚(yáng)斕滾澗 輻灄興渙藺。還原反應(yīng)，過程相反。這是傳感器的氣敏機(jī)理。2.5 ZnO 氣體傳感器的性能測試 金屬氧化物氣體傳感器的性能指標(biāo)有很多：靈敏度，

33、選擇性，對(duì) 氣體的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，溫度等 25。靈敏度是指被測氣體的濃度變化引起元件阻值的變化的程度 26 。 當(dāng)氣體濃度變化很小而引起元件阻值發(fā)生很大變化， 這樣的情況我們 可以認(rèn)為傳感器的靈敏度很大， 我們也希望靈敏度大一些好。 要想提 高傳感器的靈敏度， 主要從兩方面入手： 優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和對(duì)傳感器的 材料精益求精。傳感器靈敏度的提高可以幫助人們快速有效的對(duì)氣體 進(jìn)行檢測。我們定義，氣敏元件在空氣中的阻值為 Ra，在不同濃度 的待測氣體中阻值為 Rg，因此，氣敏元件的靈敏度可以定義為 S=Ra/Rg27 。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。選擇性也是衡量氣體傳感器性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)， 若傳感器

34、被多種氣體包圍， 我們只希望它檢測出主測氣體而對(duì)其他氣體沒有沒 有什么反應(yīng)，這種性質(zhì)就是傳感器的選擇性。圖 2.9 是花狀的氧化鋅 對(duì)同一溫度（150）、同一濃度（ 100 ppm）的不同氣體的反應(yīng)程度。 下圖的氣體從上到下分別是硫化氫 H2S、甲醛 CH2O、甲烷 CH4、氫 氣 H2、二氧化氮 NO2、一氧化碳 CO、甲苯 C7H8、丙酮 C3H6O、乙第 20 頁（ 共 27 頁）醇 C2H6O、氯氣 Cl2、氨氣 NH3。很明顯，所制備的傳感器對(duì)硫化氫H2S 響應(yīng)良好，靈敏度高，而對(duì)其他幾種氣體反應(yīng)不明顯。主要原因 是 H2S與 ZnO兩者接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， H2S與 O2-反應(yīng)生成

35、 H2O、SO2、S和電子。同時(shí)，二者可以還發(fā)生了脫硫反應(yīng)生成了硫單質(zhì)因此，我們可以得出， 花狀氧化鋅所制得的納米材料對(duì)不同的氣體具有良好的選擇性。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。圖 2.9 ZnO 對(duì)不同氣體的響應(yīng)程度第 21 頁（ 共 27 頁）圖 2.10 溫度對(duì) ZnO 靈敏度的影響圖 2.10 是所制得傳感器對(duì)同一濃度的不同濃度的氣體（上邊為 乙醇，下面是丙酮）的靈敏度與工作溫度的關(guān)系曲線。從圖中我們可 以得出：在同一溫度下傳感器對(duì)不同的氣體靈敏度明顯不同。 這也 要求我們針對(duì)不同的需求制造不同種類的傳感器滿足工業(yè)的要求。 脹 鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。影響傳感器性能還有一個(gè)重要因素： 溫度。不同

36、溫度下的氣體對(duì)同一 傳感器影響也大不相同。從圖 2.10 中我們也可以得出溫度對(duì)傳感器 的影響。圖中兩種氣體的濃度為一樣。乙醇傳感器的靈敏度的在 200-250的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高而靈敏度增加， 在 250時(shí)處 于頂峰，250以后，靈敏度會(huì)立即下降。 丙酮傳感器的靈敏度在 263 靈敏度最大。溫度過高或者過低，都會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度造成影響。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。主要原因是 ZnO 表面原子受溫度的影響，能級(jí)不穩(wěn)定，發(fā)生遷躍， 也會(huì)影響吸附氧氣的數(shù)量。 當(dāng)溫度較低時(shí)，ZnO 表面原子的性能降低， 會(huì)影響與氣體分子的反應(yīng)， 也會(huì)影響吸附氧氣的數(shù)量， 降低反應(yīng)速率 和質(zhì)量，導(dǎo)致傳感器的靈敏度下

37、降。當(dāng)溫度過高時(shí) ZnO 表面原子的 性能會(huì)遭到破壞，氧氣受熱膨脹，與傳感器的接觸面積減小，吸附氧 氣的數(shù)量也會(huì)減少， 進(jìn)而影響傳感器響應(yīng)速度。 對(duì)丙酮也有類似的變 化。 稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。2.6 小結(jié)試驗(yàn)中我們首先制備了納米級(jí) ZnO,通過 XRD 、TEM 、SEM，對(duì) 所制備的氧化鋅納米材料進(jìn)行表征，對(duì)它的生長機(jī)理有了清晰地認(rèn)第 22 頁（ 共 27 頁） 識(shí)。再制得氧化鋅氣體傳感器，對(duì)其進(jìn)行性能測試，分析了影響氧化 鋅納米材料氣體傳感器性能的主要因素。 結(jié)果表明， 氧化鋅納米材料 氣體傳感器在 150時(shí)，對(duì) H2S 有較好的選擇性，靈敏度。 陽簍埡鮭罷規(guī)嗚 舊巋錟。第 23 頁（

38、共 27 頁）第三章 納米材料的現(xiàn)狀及前景氧化鋅納米材料因其工藝簡單，制作方便，靈敏度，功耗低，污 染少，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際生活中。 本文中我們首先介紹了納 米技術(shù)及納米材料， 使人們對(duì)納米材料有了初步的認(rèn)識(shí)。 接著又采用 低溫水熱法，以二水乙酸鋅和水合肼為原料，利用 X 射線衍射儀， 掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡對(duì)所制得的氣體傳感器進(jìn)行表征。 詳細(xì)分析了氧化鋅納米材料的生長機(jī)理， 并且討論了它的靈敏度、 選 擇性、穩(wěn)定性以及對(duì)氣體的響應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)速度。結(jié)果表明，乙醇和 丙酮的最佳工作溫度分別為和 250和 263，在 150對(duì) H2S 具有 良好的選擇性和靈敏度。 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤

39、應(yīng)。由于氧化鋅的廣泛應(yīng)用和良好的市場的前景， 氧化鋅的納米材料 的開發(fā)與應(yīng)用已引起世界各方面的高度關(guān)注。 納米材料的制備技術(shù)發(fā) 展了幾十年，取得了一定的研究成果。但是，納米技術(shù)的應(yīng)用剛剛起 步，需要我們深入研究探討。 如何更好地發(fā)揮氧化鋅納米材料性能， 提高產(chǎn)品的性價(jià)比， 使制造出的產(chǎn)品更具有市場競爭力， 我們以后研 究的方向與重點(diǎn)。 總的來說， 納米材料研究主要包括納米結(jié)構(gòu)的研 究和性能的分析，表征；納米材料的合理制備；納米材料形狀， 大小的可控研究；納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)及可控研究。目前，我們 存在的問題，就是未來研究的方向和重點(diǎn)。這些問題一旦解決，納米 技術(shù)的發(fā)展就會(huì)如虎添翼，突飛猛進(jìn) 。

40、 鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。第 24 頁（ 共 27 頁）參考文獻(xiàn)1 祝柏林，謝長生 .ZnO 氣敏材料的研究進(jìn)展 J.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2002，(4)： 353-359.2 李海燕 .薄膜電阻器用納米 SiO/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂料的制備與表征 D. 天津：天津大學(xué)， 2004：112.3 徐桂華 .你可知道納米技術(shù) J.電氣時(shí)代， 2001，(2):4-5.4 李青青.鎳硫化物納米材料的水熱合成和表征 D.山東:山東大學(xué)， 2012:71.5 胡廷義 . 納米材料及其應(yīng)用 J.天津通信技術(shù)， 2000，(4):11-13.6 徐桂華 .你可知道納米技術(shù) J.電氣時(shí)代， 2001:3132.7 彭春玉

41、.反相微乳液電導(dǎo)性的研究及納米電沉積層的制備 D. 湖南：湖南 大學(xué)， 2006:48.8 耿中榮.低維納米材料的制備研究 D. 蘭州：蘭州大學(xué)， 2008:122.9 王開嘯.三維納微米材料的制備、結(jié)構(gòu)表征及發(fā)光性能研究 D. 合肥：合 肥工業(yè)的， 2011:61.10 季俊紅 .磁性核殼結(jié)構(gòu) Cu/FeOSiO催化劑的制備及其性能研 究D. 北京：北京工業(yè)大學(xué)， 2011：77.11 薛陽.硅微通道電化學(xué)腐蝕過程中的輸運(yùn)特性 D. 長春：長春理工大學(xué)， 2011.12 范俊卿.納米 ZnO和軋鋁石榴石的水熱法制備及特性表征 D. 煙臺(tái)：煙臺(tái)大 學(xué)，2010:54.13 聶宇婷.新型氧化鋅 (ZnO)納米結(jié)構(gòu)的合成生長機(jī)理和光學(xué)性能研究 D. 蘇州：蘇州大學(xué)， 2013:70.14 王杰.金屬基體高溫耐磨防沖蝕涂料性能的研究 D. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2011.15 杜偉杰 .納米材料的制備及其在生