摘 要

生活中排放的污染气体和易燃气体越来越多，所以我们需要新型的气体传感器对这些污染气体和有害气体进行检测。随着生活品质的提高，对传感器的要求越来越高，其中考察的有灵敏度、快速响应、体积小、便于携带等。除了对气敏材料的研究和探索之外，我们对气敏传感器的器件的要求也越来越高，包括器件的类型、组装工艺、测试环境等。

在各种各样的金属氧化物半导体中，由于钒的多种价态使五氧化二钒对某些气体的选择性和好的响应，所以五氧化二钒是一个研究重点。由于一维五氧化二钒材料较大的比表面积、较高的灵敏度和高的稳定性，被人们广泛关注于气敏领域。一维钒氧化物纳米材料通过溶胶凝胶法，气相沉积法，液相法等一些方法制备，调整工艺参数可以实现材料的形貌可控。一维纳米材料与传统材料相比，比表面积大，利于气体的吸附与脱附；一维纳米材料有表面能高，容易吸附气体，可以降低气敏材料的工作温度；电子沿纳米材料的轴向传输，提高了电子在材料中的传输速率，增加了气体响应时间。可以利用五氧化二钒的优良性能以及纳米材料的特殊属性来研究气敏纳米器件。

本文采用溶胶-凝胶法合成V₂O₅纳米线，并结合SEM，XRD等现代测试方法对产物的物相结构和形貌特征进行表征，并利用不同的纳米器件进行气敏性测试。主要结论如下：

1．用溶胶-凝胶法制备的单根V₂O₅纳米线细长、均一，直径约为12 m。表面光滑，结晶度较高；

2．V₂O₅具有导电性，而且在同一温度下电阻恒定。其电阻随温度升高而降低；

3．不同浓度的同一气体对同一器件的响应情况不同。氨气浓度为5 ppm和10 ppm时，灵敏度为1.07；氨气浓度为20 ppm时，灵敏度为1.08；氨气浓度为50 ppm时，灵敏度为1.21。

4．同一单根钒氧化物纳米材料对不同气体的响应情况不同；

5．对于同一种气体，不同的器件响应情况不一样；

6．对于陶瓷管叉形电极，温度越高，响应情况越好；

Abstract

As the emissions of pollution and harmful gas in our daily life ,we need a new type of gas sensor to detect the pollution and harmful gas. We have higher requirement for gas sensors, including investigation of sensitivity, response to the environment quickly, small volume, easy to carry, etc. In addition to the research and exploration of gas sensitive material, we have higher demand for gas sensor devices, including the type of device, assembly process and environment of test, etc.

In all kinds of metal oxide semiconductor, due to various valence of V₂O₅, it has good selectivity and good response to some gas, so V₂O₅ is an important material to research for. For one-dimensional V₂O₅ material has larger specific surface area, high sensitivity and high stability, gained people's attention in the field of gas sensor. One-dimensional V₂O₅ nanomaterials made by sol-gel method, vapor deposition method, liquid phase method and some other method, adjusting the process parameters can achieve the morphology control of material. Compared with traditional materials, one-dimensional nanomaterials has large specific surface area, gas adsorption and stripping. One-dimensional nanomaterials have high surface energy, make it easy for gas adsorption, can reduce the working temperature of gas sensitive materials. Electronic along the axial transmission of nanomaterials, improve the electron transfer rate in the material. increasing the time of gas response. We can take advantage of the excellent properties of V₂O₅ and special properties of nanomaterials to study on gas sensitive nano device.

In this paper, we use sol-gel synthesis to synthese V₂O₅ nanowires, and combined with SEM, XRD and other modern testing methods to characterizing the phase structure and morphology characteristics, and use different nano device for gas sensitivity test.

The main conclusions are as follows:

1, Using sol-gel method to synthese single V₂O₅ nanowires, the nanowires are flat, long and uniform diameter of about 12 m. The surface of V₂O₅ is smooth and has high crystallinity.

2, V₂O₅ has high electrical conductivity, and its temperature resistance remaineds constant. The resistance decrease with temperature rise.

3, Different concentrations of the same gas response has different response to the same device. As the concentration of NH₃ is 5 PPM and 10 PPM, the sensitivity is 1.07; As the concentration of NH₃ is 20 PPM, the sensitivity is 1.08;As the concentration of NH₃ is 50 PPM, the sensitivity is 1.21.

4, The same single V₂O₅ nanomaterials has different gas response to different gas.

5, For the same kind of gas, different devices has different response.

6, For the ceramic tube fork electrode, the higher the temperature, the better response.

Key word: single V₂O₅ nanowire; nano device; gas sensor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 一维纳米材料 1

1.1.1 一维纳米材料概述 1

1.1.2 一维纳米材料的制备方法 2

1.1.3 一维纳米材料的种类 2

1.1.4 一维纳米材料的应用 3

1.2 一维纳米线器件的制备 4

1.2.1 微接触印刷术 4

1.2.2 电子光刻技术 4

1.2.3 阳极氧化法 5

1.3 气体传感器介绍 6

1.3.1 传感器工作原理 6

1.3.2 气体传感器类型及特征 7

1.3.3 气敏传感器敏感机理 7

1.3.4 气敏传感器的发展方向 8

1.4 一维V₂O₅纳米气敏材料的研究进展 8

1.4.1 V₂O₅结构与性质 8

1.4.2五氧化二钒纳米线的制备方法 10

1.5 本文研究内容与意义 12

第2章 钒氧化物纳米线的制备与表征 14

2.1 钒氧化物的制备 14

2.2 钒氧化物纳米线的表征 14

2.2.1 X射线衍射法 14

2.2.2 扫描电子显微镜法 15

第3章 钒氧化物纳米线的物相结构与形貌结构分析 16

3.1 物相结构分析 16

3.2 形貌结构分析 16

3.3 本章小结 17

第4章 单根钒氧化物纳米线器件设计与性能研究 18

4.1 单根钒氧化物纳米器件的设计 18

4.1.1 纳米器件的分类 18

4.1.2 纳米器件的应用 18

4.1.3 五氧化二钒的性能 19

4.2 单根钒氧化物纳米线器件性能研究与分析 19

4.2.1 探针台搭载Keithley 4200 19

4.2.2 WS-30 A型气敏测试仪 22

4.2.3 两种器件对气体的响应比较 25

4.3 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 一维纳米材料

制备纳米器件的材料主要包括碳基纳米材料和氧化基纳米材料^[1]。其中，气敏材料包括有机气敏材料、无机气敏材料和复合气敏材料三大类。复合气敏材料主要包括导电高聚物、金属酞菁、与金属氧化物的复合材料^[2]，无机气敏材料主要包括复合金属氧化物、单一金属氧化物,有机气敏材料则主要包括导电高聚物，如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺及它们的衍生物等。下图是近期开发的一些气敏材料：

表1.1 近期开发的气敏材料^[1]

1.1.1 一维纳米材料概述