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纳米SnO_2、TiO_2及其复合材料的制备与气敏性能研究

作　者: 曾文
导　师: 林志东
学　校: 武汉工程大学
专　业: 材料学
关键词: TiO2 SnO2 TiO2-SnO2复合材料 挥发性有机气体 灵敏度
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


纳米金属氧化物SnO2和TiO2作为宽带半导体功能材料已为人们所熟知,作为一种新型的气敏材料,亦日益受到人们的重视。尽管已有大量关于SnO2及TiO2作为检测还原性气体传感元件的研究报道,但纳米TiO2-SnO2复合材料对挥发性有机化合物（简称VOCs）的气敏性能的报导仍比较少。本论文对半导体纳米金属氧化物SnO2及TiO2以及TiO2-SnO2复合材料的气敏性能做了系统研究,分别制备并研究了TiO2基掺金属离子材料、SnO2基掺金属离子材料及不同配比的TiO2-SnO2复合材料的VOCs气敏性能。并利用材料计算软件Materials Studio以及量化计算软件Gaussian03对气敏机理进行了理论研究。结果如下:（1）所制备的TiO2为锐钛矿型,晶粒直径为20～25nm,SnO2为金红石型,晶粒直径为30nm,金属离子掺杂为置换式掺杂,未改变纳米SnO2、TiO2的结构。TiO2-SnO2复合材料包含了锐钛矿型的TiO2与金红石型的SnO2,晶粒直径在10～20nm之间,随着掺杂TiO2的量的增大,SnO2晶粒尺寸逐渐减少。（2）金属离子掺杂使TiO2、SnO2材料的气敏性能得到提高,其中掺Ag+效果最为显著,SnO2掺Ag+元件对乙醇气体的最高灵敏度可到120。TiO2的掺杂可明显改善SnO2材料的敏感性,在不同温度下,对甲醇、乙醇、丙酮及甲醛气体表现出一定的选择性。此外,TiO2-SnO2复合材料元件电阻明显低于TiO2基、SnO2基掺金属离子元件,而且TiO2-SnO2复合材料元件对测试的四种VOCs气体的敏感温区都低于TiO2基、SnO2基掺金属离子元件。（3）TiO2掺杂SnO2使能带间产生了掺杂能带,并且使SnO2的导带产生负移,使TiO2-SnO2复合材料的电导率增加,电阻减少,元件工作温度得到降低。元件在不同温度下表现出选择性,这与气体分子的得电子能力有关。对不同气体的敏感温度与气体分子能量大小变化有相同的趋势。研究表明TiO2-SnO2复合材料对挥发性有机气体具有良好的气敏特性,是一种极具潜力的气敏材料,但在选择性和稳定性等方面还需改进。希望我们的工作能为今后更深入的研究起到一定的借鉴作用。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 课题研究背景  11-12
  1.2 金属氧化物半导体气敏材料的研究进展  12-14
  1.3 金属氧化物半导体的气敏机理研究现状  14-17
  1.4 本论文研究的目的、意义及主要内容  17-19
第2章 气敏材料的合成及气敏元件的制备技术  19-25
  2.1 实验方案  19-21
    2.1.1 纳米TiO_2及其掺金属离子粉体的制备  19-20
    2.1.2 纳米SnO_2及其掺金属离子粉末的制备  20
    2.1.3 不同Ti/Sn配比的二元纳米TiO_2-SnO_2复合材料  20-21
  2.2 旁热式气敏元件的制备  21-23
  2.3 材料结构与性能表征  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章 TiO_2、SnO_2及TiO_2-SnO_2复合材料的物性表征  25-37
  3.1 TiO_2、SnO_2及TiO_2-SnO_2复合材料XRD表征  25-30
    3.1.1 纳米TiO_2及其掺金属离子材料的XRD表征  25-26
    3.1.2 纳米SnO_2及其掺金属离子材料XRD表征  26-28
    3.1.3 纳米SnO_2材料的Raman表征  28
    3.1.4 纳米TiO_2-SnO_2复合材料XRD表征  28-30
  3.2 TiO_2、SnO_2及TiO_2-SnO_2复合材料AFM表征  30-35
    3.2.1 纳米TiO_2材料的AFM表征  30-32
    3.2.2 纳米SnO_2材料的AFM表征  32-33
    3.2.3 纳米TiO_2-SnO_2复合材料AFM表征  33-35
  3.3 本章小结  35-37
第4章 TiO_2、SnO_2及TiO_2-SnO_2复合材料的气敏研究  37-59
  4.1 气敏性能的测试原理  37-38
  4.2 气敏测试主要指标  38-39
  4.3 TiO_2基气敏性能研究  39-44
    4.3.1 电阻-工作温度曲线  39-40
    4.3.2 灵敏度-工作温度曲线  40-41
    4.3.3 灵敏度-气体浓度曲线  41-42
    4.3.4 响应-恢复时间曲线  42-44
  4.4 SnO_2基气敏性能研究  44-48
    4.4.1 工作温度-电阻关系曲线  44-45
    4.4.2 灵敏度-工作温度曲线  45-46
    4.4.3 灵敏度-气体浓度曲线  46-47
    4.4.4 响应-恢复时间曲线  47-48
  4.5 TiO_2-SnO_2气敏特性研究  48-54
    4.5.1 电阻-工作温度曲线  48-49
    4.5.2 灵敏度-工作温度曲线  49-51
    4.5.3 灵敏度-气体浓度曲线  51-52
    4.5.4 响应-恢复时间曲线  52-53
    4.5.5 稳定性测试  53-54
  4.6 TiO_2、SnO_2及TiO_2-SnO_2复合材料的气敏性比较分析  54-57
    4.6.1 电阻-工作温度的比较  54-55
    4.6.2 灵敏度及敏感温区的比较  55-57
  4.7 本章小结  57-59
第5章 气敏机理的理论研究  59-71
  5.1 SnO_2理论计算  59-62
    5.1.1 SnO_2能带计算  60-61
    5.1.2 SnO_2电子态密度计算  61-62
  5.2 TiO_2-SnO_2理论计算  62-65
    5.2.1 TiO_2-SnO_2电子态密度计算  63-64
    5.2.2 TiO_2-SnO_2能带计算  64-65
  5.3 气体分子轨道能量理论计算  65-68
    5.3.1 理论模型的建立及计算方法  66-67
    5.3.2 气体分子的前线分子轨道  67-68
  5.4 本章小结  68-71
第6章 结论与展望  71-73
参考文献  73-79
硕士期间取得的主要成果  79-80
致谢  80

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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