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《纳米ZnO气敏传感器的研制》开题报告

姓名：史雯萍班级：09环境A2学号：00094865907

指导教师：袁昊

是否为毕设预备课题：□是；□不是（请打√）

摘要：ZnO是具有宽带隙和优良光电，压电等性能的半导体材料，且化学稳定性高，在功能

器件的研制中具有广泛的用途，因而受到人们越来越多的重视，作为气敏材料，ZnO是最早被

发信的气敏材料之一。研究结果显示：贵金属纳米晶可以显著提高单晶ZnO纳米线的灵敏度和

选择性，并且能够有效降低对目标气体的检测下限（检测下限可达ppb级）。这项研究为半导体

气体传感器性能的改善提供一条全新的思路。

关键词：氧化锌；贵金属；修饰；气体传感器

一、研究内容

以液相法制备的单分散贵金属纳米晶为原料，对单晶ZnO纳米线进行异质自组

装。在不同的条件下，对贵金属纳米晶修饰的一维ZnO纳米材料进行气敏性能测试。

在研究该组装体系气敏性能的基础上，得到了具有高灵敏度、高选择性、高稳定性，

并且具有低检测下限的性能优越的气体敏感材料。

图1Au纳米晶的TEM图

二、技术路线

本实验是通过贵金属纳米晶的修饰来提高ZnO纳米线的气敏性能：经过Pd纳米

晶修饰之后的ZnO对H2S气体的选择性非常良好，而且还将对H2S气体的检测下

限降低至200ppb；经过Pt纳米晶修饰后的ZnO纳米线，显著提高了对酒精和甲醛

气体的响应，可以检测浓度低至250ppb的酒精和1ppm的甲醛气体。Au纳米晶修饰

ZnO纳米线后提高了对酒精和一氧化碳的灵敏度和检测下限。同时并采用单分散的

贵金属纳米晶修饰的方法可以显著提高半导体金属氧化物的气敏性能，这将为以后

提高半导体金属氧化物气敏材料的性能提供新的道路。实验结果表明,Ru的掺杂可

提高ZnO的气体灵敏度,催化剂涂层的施加可改善Ru2ZnO对汽油、乙醇、丁烷的

气敏选择性。并适当降低ZnO的工作温度。通过贵金属纳米晶的修饰，可以显著提

高金属氧化物纳米线的气敏性能，进而开发高灵敏度、高选择性、高稳定性的优质

气体传感器。

三、文献综述

从性能上来说它是半导体加压电体，而且还是光电材料；从物理上来说，它是

一个应用于自旋电子学的材料；从生物上来说，它是无毒性的、生物可降解的；更

重要的是，从纳米结构上来说，它是可塑性非常好的一个材料，可以做成各种各样

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的形态，有极大和半导体工业结合起来的优势。为气敏材料来讲，ZnO是一种研

究时间较长、应用水平较高的半导体氧化物气敏材料，它主要利用材料表面吸附气

体后电阻值发生变化的原理来检测气体，具有测量范围广泛、灵敏度高、响应恢复

时间快，寿命长等优点，尤其是成本低、制作简便、工艺成熟、使用维修方便。为

了提高半导体气体传感器的灵敏度，人们普遍使用具有纳米尺寸的氧化物作为敏感

材料，但是由于传统的纳米颗粒气敏材料一般是多孔、多晶材料，在传感器的使用

过程中容易发生晶体生长、颗粒团聚、产生裂纹，导致传感器的灵敏度变化和稳定

[5-8]

性下降。为此，开发比表面大、结晶度高、不易团聚的新型纳米材料或采用新

的器件结构，解决气体传感器的稳定性差和功耗高问题成为半导体气体传感器进一

步的发展方向。近年来，由于金属氧化物纳米线在介观物理、合成化学和纳米尺寸

元件制备中具有独特的应用前景和研究价值，已成为当前纳米材料领域的国际研究

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前沿与热点。与传统的纳米材料相比，一维纳米材料不仅具有独特的物理、化

学和力学性能，而且可以作为纳米器件与纳米系统的连接导线，在纳米器件和系统

的构建中显现出更加重要的地位。研究发现，单根的氧化物纳米线可用于制作气体

传感器。例如Wang等利用微电子机械系统（MEMS）技术将其合成的ZnO纳米线

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制作成气体传感器