TiO2和ZnO纳米薄膜的制备及传感特性

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近几年来纳米材料的制备及应用一直是纳米研究中的热点。纳米尺寸对所研究的对象产生许多奇异性质,或对原有性质有十分显著的改进和提高,表现出传统材料所不具备的奇异或反常的H物理H、H化学H特性。这种尺寸奇特性质是由表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应三大纳米效应所引起的。因此,氧化物纳米材料广泛的应用于湿度传感器、光传感器、新能源、生物医疗等领域。氧化物TiO2是宽带隙半导体,主要本征吸收388nm以下的紫外光[19],可产生光电、光化学效应,是用以制备实用化光伏器件、光催化器件和气体传感器的优选材料。TiO2纳米薄膜更是较大的比表面积和较强的吸附能力,因此在实现以上功能器件时具有更大的优势。目前基于宽带隙氧化物(如SnO2、Al2O3等)纳米薄膜的湿度传感器研究,引起人们的广泛关注。但是TiO2纳米薄膜这一方面的应用,目前尚少有报道。基于TiO2纳米管阵列薄膜的电容式湿度传感器具有突出的优点:体积小、灵敏度高、响应速度快,测量范围宽,信号直接以电参量的形式输出,使用操作方便。由于TiO2纳米薄膜更大的比表面积和更强的光子捕捉能力,并且具有制作简单、容易掺杂、灵敏度高、稳定性强等优点,所以基于TiO2纳米材料的紫外传感器在光电子领域应该得到广泛的研究和应用。但是目前该方面国内外尚少有研究。ZnO纳米材料是另一种备受关注的纳米功能材料,它具有直接宽带隙(Eg=3.37eV)、高激子束缚能(60 meV)、高热导率、易于掺杂等优点,因而在光电子领域引起广泛的关注,在紫外发光(或传感)器件、气体传感器、输运电子器件、表面声波器件等领域极大的应用前景。另外,可以利用过渡金属(Fe、Co、Ni、Mn)掺杂ZnO,制备自旋极化的激光光源,这同样是目前ZnO纳米材料与器件领域研究的热点。我们知道,制备较好ZnO纳米结构薄膜是人们研究ZnO光电子器件的基础。基于以上考虑,本文围绕纳米材料TiO2、ZnO的制备及TiO2纳米管薄膜湿敏、光敏特性研究,主要展开了以下几个方面的研究工作:(1)利用电化学的方法制备TiO2纳米薄膜,制备的纳米结构整齐,比表面积大,且制作方法简单。并采用SEM、TEM、Raman等测试手段对TiO2纳米管阵列的表面形貌、内部微结构、化学键态等进行了表征。分析了TiO2纳米管阵列形成的基本机理。(2)利用TiO2纳米管阵列薄膜制作湿度传感器,测试了其电容对湿度的依赖关系。并在不同电极构型下测其电容随湿度变化而变化的特性,结果发现:梳状电极结构下灵敏度增强,湿滞效应变小。(3)通过采用不同光源、光照强度、电压来检测TiO2纳米管阵列薄膜的光敏特性。实验发现:氨化氮掺杂TiO2纳米管阵列薄膜对于365纳米的紫外光表现出强烈的光敏特性。同样光照条件下,电压越大,则灵敏度越高。(4)建立了TiO2纳米管阵列湿敏光敏器件的等效电路,分析了TiO2纳米管阵列薄膜湿敏光敏器件在外界激励(光照或湿气)下的敏感机理,运用了能带结构理论来分析TiO2纳米管阵列薄膜对紫外光的敏感特性。(5)分别采用电化学法和H2O2活化的锌粉与活性炭高温热处理的方法来制备ZnO纳米结构,发现后一种方法制备的纳米结构具有方法简单、表面积大等优点。利用SEM对ZnO纳米结构进行初步的表征,发现锌粉与活性炭的质量比越低,纳米结构越好。
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