制备量子氧化钛复合薄膜以及VOCs传感性能研究开题报告

2022-01-08 10:01

全文总字数：4895字

1. 研究目的与意义及国内外研究现状

随着世界工业的发展，特别是石油化工工业的发展，产生了很多自然界原本没有的物质，如汽油，工业橡胶，农药，各种塑料制品，这些东西在给人们的生活带来了极大的便利的同时，也产生了很多对人体和自然界有严重危害的气体，使人类在当今不得不面对严峻的全球性大气污染问题。工业废气、汽车尾气、各种有机材料散发出的有机气体正严重地危害着人类的身体健康，破坏着人类和动物赖以生存的自然坏境，影响工农业的有序生产。因此，人们越来越重视对有毒有害气体的检测，为了防止大气坏境的继续恶化，我们需要对周围环境中的有害气体进行实时监控，以便采取相应的预防和治理措施，气体传感器就是在这种需求下产生的。气体传感器即气体敏感元件能够感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、分析、报警。

有机挥发性气体英文名称是volatile organiccompounds,通常缩写为VOCs，它的沸点在50—260℃之间，其饱和蒸气压在室温下通常超过133.32Pa。目前已知的种类有300多种，苯，甲苯，甲醛，乙醇，乙醚，丙酮，异丙醇等是比较常见的VOCs。他们广泛存在于大气、水源和土壤中并对环境造成严重污染。

半导体气体传感器是利用半导体材料的各种物理、化学和生物特性原理制成的传感器，所采用的半导体材料主要是硅、 = 2 \*ROMAN II- = 4 \*ROMAN IV族以及 = 3 \*ROMAN III- = 5 \*ROMAN V族元素化合物，传统的半导体气体传感器敏感材料主要有ZnO、SnO₂和Fe₂O₃三大类。另外还包括In₂O₃、TiO₂、BaO₂、CdO、V₂O₅等金属氧化物材料及复合金属氧化物材料。半导体材料与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化，这些都是由材料的半导体性质决定的。

石墨烯量子点的准束缚态特性，使其具有独特的电子性能，在传感领域具有广泛的应用前景。TiO₂是一种环境友好型材料，且对环境湿度的影响具有抗干扰性能，使得TiO₂基传感器成为了VOCs传感研究的热门领域。针对TiO₂基纳米传感材料的研究部主要集中在增加其比表面积和活性位，以及通过制备具有新结构的纳米传感材料提升传感性能。除了从结构上调控TiO₂纳米材料之外，掺杂贵金属元素比如Pt以及Pd，也可以增强其传感效果。

国内外研究现状

半导体式气体传感器作为一种主要的固态气体传感器件，因其灵敏度高、制作成本低和信号测量简单等优点而被广泛应用于工业生产、环境监测、卫生保健等领域。此类传感器的传感性能很大程度上取决于传感材料的化学成分、传感层微观结构和形貌、表面修饰及传感环境温度湿度等因素。

随着纳米科技在气体传感领域的深入应用，目前针对金属氧化物传感材料气敏性能改进的研究多集中于纳米尺度金属氧化物的开发，如纳米结构化和掺杂改性等。研究者倾向于制备大比表面积的结构化纳米材料，如纳米管、纳米棒阵列、纳米多孔膜等，以提高材料的气体吸附量、提升气体扩散速率，进而提高材料对气体的灵敏度、加快响应速度。对金属氧化物进行元素掺杂，或者构建纳米复合体系，引入的掺杂剂或复合成分可以起到催化作用，还可以成为构建纳米结构的辅助载体，从而改善传感材料整体的气敏性能。

金属氧化物半导体传感材料主要有SnO₂、ZnO、Fe₂O₃三大类，此外还有V₂O₅、In₂O₃、WO₂、TiO₂、Nb₂O₃等，从而传感器件仍以电阻式气体传感器应用最广，非电阻式气体传感器也在开发之列。

目前对于金属氧化物气体传感器对单一气体的敏感特性的研究已趋于成熟并达到实用化水平，而在复杂气体氛围中实现单一气体的选择性响应或多种气体的共同检测热处于探索阶段，解决问题的关键还是在于气体敏感材料性能的提升。

本论文通过制备基于量子晶粒的有序纳米孔复合材料，来研究其性能及应用。

2. 研究的基本内容

石墨烯量子点的准束缚态特性，使其具有独特的电子性能，在传感领域具有广泛的应用前景。本毕业设计研究内容主要为以下几方面：

①采用不同于传统方法的后置热蒸法构建纳米自组装制备技术，在调控传感材料能级结构，促进表面反势层与耗尽层的可控调节，形成优质量子隧道结界面结构；

②研究量子晶粒为基础的有序纳米孔ptox/石墨烯量子点/氧化钛复合薄膜材料的传感特性；

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3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案

a.材料的制备

配置下表所示溶液，并进行旋涂（共旋涂16片）：

F127/g	乙醇/ml	浓盐酸/ml	四氯化铂/ml
0.6	5	0.2	0.02
0.6	5	0.2	0.02
0.6	5	0.2	0.02
0.6	5	0.2	0.02

旋涂速度为3000r/min，间为30s，旋涂重复四次，每旋涂一次，放入80℃烘箱干燥。旋涂过程结束后，进行热蒸，时间为2天，温度为120℃。

热蒸后的样品进行放入管式炉进行碳化，温度为500℃。

碳化结束后，再次进行镀膜，此次镀膜分为四种不同配比的溶液（每种配比镀4片），具体配比如下：

四氯化锡/ml	四氯化钛/ml	乙醇/ml
0.8	0.2	5
0.8	0.4	5
0.8	0.6	5
0.8	0.8	5

旋涂仍重复四次。旋涂结束后，将每种配比的四片仪器分别热蒸1天、2天、3天、4天，温度仍为120℃。

b.材料的表征

紫外-可见分析：研究物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱的分析方法。紫外-可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200-800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。广泛应用于无机和有机物质的定性和定量测定。

TEM分析：TEM是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜，是材料科学研究不的重要手段，能提供极细微材料的组织结构，晶体结构和化学成分等方面的信息。TEM的分辨率为0.1-0.2nm,放大倍数为几万到几十万倍。

XRD分析：XRD即X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

XPS分析：X射线光电子能谱分析是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子，可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图，从而获得待测物组成。

c.材料性能测试

主要测试材料对不同VOC气体的传感响应，影响其传感特性的因素非常多，通常只考虑主要的影响因素，或者其他的影响因素进行综合考虑。本论文从形貌及修饰掺杂两方面进行研究。形貌或者表面修饰对气敏性能的影响要取决于控制金属氧化物气敏特性的具体结构参数，需要将主要结构参数进行综合分析才能获得合理的结论。

d.机理研究

直至目前，对金属氧化物半导体气敏传感机理尚不明确，主要有以下原因：①晶界--对半导体气敏材料中存在晶界的情况，很难对其进行定量描述；②添加剂——对气敏材料中使用添加剂，导致添加剂在基体材料中的分布和行为变得很复杂;③表面吸附——气敏材料表面的吸附性受到诸多因素的影响；④在半导体气敏材料的工作温度范围内，探测气体有可能与气敏材料的表面发生了某种化学反应；⑤探测气体不同，性质也不同。

对于电阻型传感器来说，半导体氧化物气体传感器的基本工作原理：吸附在材料表面的被测气体与半导体金属氧化物材料发生了氧化还原反应，从而引起气敏元件的电阻发生变化。根据纳米材料中的电荷载流子和与表面相互作用的气体类型，半导体金属氧化物的电阻可能会增加或者减少。

进度安排

2016年1月-2016年6月：文献查阅，确定初步方案

2016年7月-2016年12月：材料制备

2017年1月-2017年6月：材料的表征及性能测试

2017年7月-2017年12月：机理研究

2018年1月-2018年4月：论文撰写

预期效果

参加大创

参加江苏省物理科技作品竞赛

申请专利

发表论文

4. 参考文献

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[3] Triet N.High-Performance Schottky Diode Gas Sensor Based on the Heterojunctionof Three-Dimensional Nanohybrids of Reduced Graphene Oxide–Vertical ZnO Nanorodson an AlGaN/GaN Layer[J].ACS Appl. Mater. Interfaces,2017, 9(36): 30722–30732.

[4] Kim J . Micropatternable Double-Faced ZnO Nanoflowers for Flexible GasSensor[J].ACS Appl. Mater.Interfaces,2017, 9(38):32876–32886.

[5] NikfarjamA . Fabrication of a Highly Sensitive Single Aligned TiO₂ and GoldNanoparticle Embedded TiO₂ Nano-Fiber Gas Sensor[J].ACS Appl. Mater.Interfaces,2017, 9(18): 15662–15671.

[6] Zou Y . Highly Efficient GasSensor Using a Hollow SnO₂ Microfiber for TriethylamineDetection[J] . ACS Sens.,2017, 2(7):897–902.

[7]吴涛．量子点掺杂介孔氧化钛薄膜的制备及其光增强传感研究[D]．南京：南京信息工程大学，2017．

[8]霍联萍 . 半导体金属氧化物传感器的制备与性能研究[D] . 重庆：西南交通大学，2017 .

[9]潘小青 . 气体传感器及其发展[D] . 江西：东华理工学院，2004 .

[10]张宇 . 气体传感器在监测化工空气污染中的应用[D] . 2006 .

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