物理與電子工程學院

2015屆碩士學位論文答辯報告西北師范大學Mn摻雜ZnO納米纖維/小尺寸ZnO納米粒子的制備及其對丙酮氣敏特性的研究報告人：毛玉珍導師：馬書懿

教授報告時間：2015年5月29日論文大綱研究背景及選題意義主要工作總結與展望發(fā)表論文致謝

1.1

氣敏傳感器

Gassensors是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的裝置。按照檢測原理的不同，我們把傳感器主要分為金屬氧化物半導體式傳感器、催化燃燒式傳感器、定電位電解式氣體傳感器、紅外式傳感器等。

1.2

氣敏傳感器的各項參數

工作溫度響應值

選擇性穩(wěn)定性響應和恢復時間

1.3

氣敏傳感器工作原理1.4

半導體氣敏傳感器存在的缺點

工作溫度較高被測氣體性質各異

穩(wěn)定性較差響應值較低1.5

提高半導體氣敏元件氣敏性能的有效方法通過改變材料的形貌、材料復合及金屬氧化物的摻雜和

修飾來提高器件的氣敏特性1.6ZnO納米材料傳感器研究進展圖1-2(a)ZnO納米纖維(b)SnO2-ZnO復合納米纖維(c)La摻雜ZnO納米纖維圖1-3(a)水熱法在120°C、17個小時的條件下制備出來形貌可控的三維ZnO納米花(b)利用直接沉淀法制備了納米花(c)超聲沉淀法制備了ZnO納米棒1.7選題思路

摻雜的ZnO納米材料可增加材料的比表面積、破壞其晶格結構及形成形貌各異的納米材料利用靜電紡絲制備Mn摻雜ZnO納米纖維，Mn的摻雜破壞了ZnO結構并使ZnO納米纖維表面凹凸不平異常粗糙，納米粒子越松散、氣敏特性越好，但操作溫度較高直接利用沉淀法制備ZnO納米粒子，發(fā)現其它的參數均有優(yōu)化，且操作溫度有些許降低，粒徑小的樣品氣敏性好沉淀-水熱結合法制備了小尺寸、均勻的ZnO納米粒子，詳盡介紹了陽性表面活性劑—CTAB對納米粒子大小的影響第一部分工作Mn摻雜ZnO納米纖維的氣敏特性研究2.1

實驗方法靜電紡絲法是一種通過高壓靜電來獲得納米纖維的技術方法。該技術的核心是使帶有電荷的高分子溶液在靜電場中流動與變形，然后經由溶劑揮發(fā)而固化，得到纖維狀物質。圖3-1靜電紡絲實驗裝置圖2.2

結構和形貌圖3-2不同Mn摻雜ZnO納米纖維的X射線衍射圖譜(a)純ZnO(b)1.0wt%(c)1.5wt%(d)2.0wt%隨著Mn元素的增加衍射峰的強度有所降低，而且并沒有出現任何其他的雜質峰與純ZnO相比，Mn摻雜的ZnO峰位向小角度略微移動。Mn2+摻入了ZnO納米粒子中。圖3-3純ZnO和Mn摻雜ZnO納米纖維的掃描電子顯微鏡圖像(a)純ZnO(b)1.0wt%Mn(c)1.5wt%Mn(d)2.0wt%.圖中純的ZnO納米纖維表面光滑，纖維粗細比較均勻。隨著Mn的增多，纖維表面顯得越粗糙、越松散。隨著Mn摻雜量的增大ZnO纖維的直徑也隨之增大。它的比表面積就越大，并且提供的氧活位也會越多，這樣有利于提高氣敏響應。圖3-42.0wt%Mn摻雜的ZnO納米纖維的X射線光電子能譜（XPS）（a）全譜（b）O1s（c）Zn2p3/2（d）Mn2p.Mn離子以正二價態(tài)摻入，且Mn2+代替了ZnO晶格中的部分Zn離子。總之Mn2+的摻雜破壞了ZnO晶格的完整結構，并使其出現較多缺陷。2.3

氣敏特性研究圖3-5丙酮響應曲線（a）不同溫度，（b）450ppm不同測試氣體（c）不同濃度，（d）1200ppm的放大圖.純ZnO的最佳溫度是360度，而Mn摻雜ZnO的最佳操作溫度大概是340度。丙酮的響應值最具有優(yōu)越性。1200ppm樣4的響應值為：262.52.4

氣敏機理圖3-6Mn摻雜ZnO納米纖維的氣敏機制（a）纖維在空氣氣氛中（b）纖維在丙酮氣氛中。傳感器暴露在還原性氣體丙酮中時，與氧離子發(fā)生反應產生CO2和H2O并且將電子釋放到ZnO納米纖維導帶中。這樣便使n-型ZnO材料的載流子濃度增大，相應的其電阻值則減小。2.5

小結優(yōu)點：Mn的摻雜破壞了ZnO結構，傳感器響應值較高、選擇性也非常好、反應和恢復時間較短。缺點：Mn摻雜ZnO納米纖維傳感器的操作溫度較高，易造成能源浪費、降低傳感器的使用壽命。改進：以上四個樣品可知納米顆粒越分散傳感器品質越好。因此我們直接制備分散性較好的納米粒子，并研究其氣敏特性。第二部分工作ZnO納米粒子的制備及氣敏特性研究3.1實驗過程沉淀法簡單易操作，但是卻有自身的缺陷，制備的離子大小不均。3.2結構與形貌圖4-1ZnO納米粒子的X射線衍射圖譜ZnO粒子是六角纖鋅礦結構，并且純度很高。但是樣品S1比S2的衍射峰強度更大且更窄圖4-2(a)S1的SEM圖(b)S2的SEM圖顯然S1的粒子很小，但是不太均勻，大概在30到50nm之間；而S2的顆粒很大，并且分散性很差，這也說明其結晶