摘 要

选择性是气体传感器最重要的气敏性能之一，其优劣直接关系到检测结果的准确性。一直以来，关于选择性的研究多半集中在建立大量已测气体的实验数据库进行比对和采用新型的测试系统等方向上，具有数据繁杂、计算量大的缺点。因此，如何对不同气体进行简单快速的识别成为研究者们努力的目标。

本文采用水热法制备ZnO纳米阵列，采用浸渍法在其表面修饰CuO纳米颗粒，并以此制作气体传感器器件，研究该CuO纳米颗粒修饰ZnO纳米阵列对各种醇类气体气敏性能，达到通过一般的气敏测试可直观判断气体类型的目的。

实验结果表明：

（1）利用旋涂法在玻璃基片上生长ZnO种子层，再采用水热法在其上制备ZnO纳米阵列，该阵列排列整齐、垂直生长、尺寸均匀，且具有择优取向；

（2）采用浸渍法将CuO修饰在ZnO纳米阵列表面，发现大量CuO颗粒较均匀地负载在ZnO纳米棒阵列表面，两种物质的摩尔比约为1:3；

（3）由CuO纳米颗粒修饰的ZnO纳米阵列制得的气敏元件在不同浓度的CH₃OH和C₂H₅OH气氛下电阻增大，且随着甲醇浓度的增加灵敏度增加，随着乙醇浓度的增加灵敏度降低。然而，其对250 ppm浓度以下的CH₃CH₂CH₂OH气氛下电阻增加，当浓度增加到500 ppm时，电阻降低。由此，该气体传感器可以区分这三种还原性气体。

关键词：CuO修饰；ZnO；纳米阵列；选择性

Abstract

Selectivity is one of the most important properties for gas sensors, which concerns the accuracy of the testing results. Historically, research for promoting the selectivity of gas sensors is mostly concentrated on comparing the experimental data of different gases with the database of a large number of other gases, or applying new testing systems. However, these methods are complicated. Therefore, researchers have exerted peculiar fascination on the valid ways for the recognition of specific gas.

In this work, ZnO nanoarrays are fabricated by a hydrothermal method, which then are peeled off and dipped with CuO sols, obtaining the gas sensor device with CuO-decorated ZnO nanoarrays. After that, gas sensing properties of the CuO-decorated ZnO nanoarrays to various kinds of alcohols are tested.

The results indicate that:

(1) The ZnO seed layers are successfully grown on the glass substrates by using a spin-coating process. Besides, the ZnO nanorods are vertical and well-aligned with preferentially growing along [0001] crystal orientation;

(2) After dipping the CuO sols, CuO nanoparticles were densely and uniformly loaded on the surface of ZnO nanoarrays with the CuO:ZnO ratio being about 1:3;

(3) The resistance of the CuO-decorated ZnO nanoarrays increases in different concentration of CH₃OH and C₂Hr₅OH. The sensitivity to methanol increases with the concentration going up while the regularity of ethanol is opposite. However, as for the CH₃CH₂CH₂OH, when the concentration is lower than 250 ppm, the resistance increases. Whereas, the resistance declines after concentrations reach 500 ppm. Consequently, the gas sensor is able to distinguish these three reducing gases.

Key Words：CuO decoration; ZnO; Nanoarrays; Selectivity

目 录

1 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 气体传感器的定义及分类 1

1.2.1 固体电解质式气体传感器 1

1.2.2 电化学式气体传感器 2

1.2.3 石英谐振式气体传感器 2

1.2.4 接触燃烧式气体传感器 2

1.2.5 表面声波气体传感器 2

1.2.6 光学式气体传感器 2

1.2.7 半导体气体传感器 3

1.3 金属氧化物气体传感器的特性参数 3

1.3.1 灵敏度 3

1.3.2 选择性 4

1.3.3 工作温度 4

1.3.4 响应-恢复速率 4

1.3.5 检测极限 5

1.3.6 线性度 5

1.3.7 长期稳定性 5

1.4 金属氧化物气体传感器的研究进展 5

1.4.1 n型金属氧化物半导体气体传感器的研究进展 5

1.4.2 p型金属氧化物半导体气体传感器的研究进展 6

1.4.3 n-p金属氧化物复合气体传感器的研究进展 7

1.4.4 金属氧化物气体传感器的气敏机理 8

1.4.5 金属氧化物气体传感器的主要发展方向 8

1.5 提高金属氧化物气体传感器选择性的措施 8

1.5.1 表面修饰 8

1.5.2 外加过滤薄膜 9

1.5.3 调节工作温度 9

1.5.4 改变测试参数或方法 10

1.5.5 改进器件结构 10

1.6 本文研究内容 11

2 实验过程 12

2.1 ZnO纳米阵列的制备 12

2.1.1 基片预处理 12

2.1.2 配置Zn(Ac)₂∙H₂O溶胶 12

2.1.3 旋转涂覆法制备ZnO薄膜 12

2.1.4 水热法制备ZnO纳米阵列 12

2.2 制备CuO纳米颗粒修饰ZnO纳米阵列及组装器件 13

2.3 表征与测试 13

3 实验结果分析 14

3.1 物相与形貌表征 14

3.1.1 ZnO纳米阵列的物相和形貌表征 14

3.1.2 CuO纳米结构的物相和形貌表征 15

3.1.3 CuO纳米颗粒修饰ZnO纳米阵列的物相和形貌表征 16

3.2 气敏性能测试 17

3.2.1 ZnO纳米阵列的气敏性能测试 17

3.2.2 CuO纳米草的气敏性能测试 19

3.2.3 CuO纳米颗粒修饰ZnO纳米阵列的气敏性能测试 21

3.3 响应类型转变的机理探究 23

4 结论与展望 25

参考文献 26

致 谢 29

1 绪论

1.1 概述

随着工业文明的发达，在提高人们生活质量的同时，生态环境也遭受严重破坏，特别是大气环境的污染日益影响人们日常生活和工作。此外，室内空气的污染，例如装潢材料和家具均会释放一定浓度甲醛，对人的身体健康有很大伤害。除有毒有害气体外，工业生产和家庭生活常用的易燃易爆气体的泄露对人的生命和财产也具有极大的威胁。为监测大气和室内空气质量，预防可燃气体的大范围泄露，气体传感器有着不可取代的作用。

1.2 气体传感器的定义及分类

气体传感器是对气体所含特定成分的物化性质作出感应，并将其转化为适当的电信号，从而对气体种类及浓度进行定量或半定量检测的传感器。^[1]气体传感器的分类有许多种方法，根据气体传感器的工作原理及制作材料分，又可分为如图1.1所示的六大类，分别简要介绍如下：

图1.1 气体传感器的分类