氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究毕业论文(编辑修改稿)

氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

因其独特的优势：开发研制的早，制作过程可控，便于携带，市面上流行的比较多。 但是，不利于大量生产，正在逐步取代烧结型传感器。 薄膜型传感器主要缺点是制作过程不稳定，难以 控制，优势是功耗低，污染小，可以大量产出，因而经济效益比较好，受到人们的广泛关注，是未来传感器发展的重点 [18]。 图 半导体气体传感器性能指标 金属氧化物气体传感器的性能判定指标有很多：灵敏度，稳定性， 第 11 页（ 共 27 页） 对气体的反应速度和恢复时间等 [19]。 相对于其他传感器，金属氧化物半导体气体传感器具有许多优势：首先，金属氧化物气体传感器灵敏度高，对于对于污染环境的杀手 —— 氮的氧化物和硫的氧化物等气体，灵敏度可以达到 ppb 等级；其次，反应和恢复时间都很短，以最少几秒和最多几十秒的速度让其他传感器甘拜下风；而且，金属氧化物半导体材料都是固体，适合带出去，也方便进行二次检测，这是其他传感器所不具备的优势；耗电量少，使用期限长，电路简洁易懂，价格适中。 这些优异的性能的使得金属氧化物气体传感器成为广为应用和流行的传感器。 制备方法及研究现状 传感器的 发展历程主要经历了三个阶段：第一阶段 —— 结构型传感器，这一阶段的传感器制作粗糙，灵敏度不高，也不耐用；第二 ——固体型传感器，这一阶段传感器取得了很大发展，人们制造出了种类繁多的传感器，性能上也有很大提高；第三阶段 —— 智能型传感器，这一阶段的传感器的制造技术不太成熟，刚刚发展起来，总的来说越来越智能化。 制备 ZnO 纳米材料的方法有很多，根据其原理主要可分为三类：化学法和物理法。 化学法包括气相沉淀法，溶胶 凝胶法（ Solgel），水热法 [20]。 化学法的优点在于，获得的纳米材料粒度纯度高，工艺流程可控 ，材料的表面活性好；缺点是样品颗粒比较大，容易粘在一起。 目前主要用于一维二维纳米材料的制备。 物理法包括气相沉积法（ CVD）、激光辐照法等，是指材料在光电技术的作用下在真空中或 第 12 页（ 共 27 页） 者惰性气体中分子或者原子形成纳米材料。 众所周知，不同的合成方法，会对纳米材料的形貌，尺寸产生影响，进而影响到纳米材料的性能。 所以人们对纳米材料不断进行研究，力图获得一种操作简单，成本低，形貌规矩，尺寸均匀的方法。 随着科学技术的发展，工艺的改进，人们对纳米材料的认识不断加深，采用的方法也越来越合理与先进。 本章我们主要介绍水热法。 水热法是指物质在高温和强压的水溶液中进行的化学反应。 由于反应处于分子水平，反应性能高，因而水热反应可以替代某些高温固相反应 [21]。 与其他方法相比，水热法的流程简单、过程可控并且价格易于接受，没有副产物产生，所得的产物纯度高，粒度细腻，是我们研究的重点。 第 13 页（ 共 27 页） 第二章 ZnO纳米材料的制备 实验所用材料及仪器 二水乙酸锌（ C4H10O6Zn，纯度 ≧ 99％，国药集团化学试剂公司），水合肼 (H6N2O， 80％，国药集团化学试剂公司 )。 X 射线衍射仪（ XRD，型号 DIFFRACTOMETER6000 型），透射电子显微镜（ TEM，型号 : G2 F20 STWIN），扫描电子显微镜（ SEM，型号 LE840EQD， LG Display），反应釜（可自行设定反应温度，不允许透气），室温荧光光谱，去离子水，干燥箱，离心机，马弗炉 [22]。 ZnO 制备原理及过程 二水乙酸锌，又名乙酸锌、二水醋酸锌，白色单斜片状晶体，具有珍珠光泽，微带醋酸味，熔点 100℃，沸点 2424℃，相对密度， 可溶于水和乙醇，可用于检测硫化氢、蛋白的试剂色谱分析试剂，聚酯工业等。 水合肼（ N2H4•H20）又称水合联氨，无色发烟液体，具有强碱性和吸湿性。 可以快速电离 OH。 在化学反应时， OH 与 Zn2+结合生成Zn(OH)2 络合物， Zn(OH)2 络合物脱去一分子的 H2O 形成 ZnO。 ZnO表面的原子比较活跃 ，在适合的生长的方向上生长迅速。 随着实验 条 件的改变它会分化成分等级结构，实验过程中 的化学方程式： N2H4▪H2O=N2H5++OH Zn2++4OH=Zn(OH)42 Zn(OH)42=ZnO↓+H2O+2OH 第 14 页（ 共 27 页） 从上述化学方程式可以看出影响分等级的纳米结构的因素有很多：溶 液的温度， PH 值，溶液中 Zn2+浓度等。 X 射线衍射仪（ XRD） X 射线属于电磁波的一个分支，波长很短（ nm），不借助外在物体，肉眼无法观察，因此需要我们借助 XRD。 X 射线衍射仪（ XRD）利用衍射原理，可以观察到某些由于突然减速而使外层电子迁跃的电子流。 利用 XRD(图 )确定所得 ZnO 的形貌结构，进行进一步的分析。 X 射线一经问世就被应用于各个领域 ， 成为研究微观物质结构的一把利器。 图 X射线衍射仪的工作原理 透射电子显微镜（ TEM） 在光学显微镜下小于 μm 的细微结构我们无法看清，因此要想看到更加细微的结构必须用波长更短的光源，以此提高显微镜的分辨率。 目前 TEM 的分辨力可达 nm。 分辨率 nm 以下的电镜可用来观察细微的物体形貌及结构，既能观测原子或原字团的排列，又能确定其所处的空间位置。 第 15 页（ 共 27 页） 图 扫描 电子显微镜 (scanning electron microscopy， SEM)的原理是：电子枪发射电子束，电子束与物质的相互反应，获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构等 [23]。 扫描电子显微镜正是根据上述原理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。 第 16 页（ 共 27 页） 图 图 反应釜结构图 从图 中可以看出组成反应釜的器件众多，由防爆机、减速器、搅拌器及冷却装置、接地设备、测温设备等组成。 属于特种设备，使用时必须严格遵守与防爆要求 ，使用前进行加压、加温测试，实验气体最好用惰性气体，严禁使用易燃易爆气体；操作过程中不能速冷速热，以防釜体破裂；每次用完必须及时清除高压釜内外的残留物，所有密封面必须经常清洗，保持干燥。 具体实验过程如下： 在烧杯放入 （ 10 mmol）的二水乙酸锌和 60 ml 的去离子水，两者充分混合，用搅拌机搅拌 30 min，再用胶头滴管向溶液中缓慢滴入 4 ml 水合肼（联氨），再搅拌 30 min。 将所得的溶液倒 第 17 页（ 共 27 页） 入水热釜中，再放入 160186。 C 的密封干燥干燥箱中，反应 24 h，自然冷却至室温。 拿出溶液，用去 离子水和乙醇（ C2H5OH）对所得溶液反复进行离心洗涤，在 80186。 C 的干燥箱中干燥 5 h[24]，最后在 500186。 C 的马弗炉中灼烧 2 h，所得的白色粉末就是 ZnO。 实验结果分析与讨论 将所的样品的晶体结构，微观结构和形貌，分别用 X 射线衍射仪（ XRD， D/MAX2500 型衍射仪， Cu 的射线 ， λ=），扫描电子显微镜，透射电子显微镜进行表征。 图 所得氧化锌的 XRD图谱 由水热法得到氧化锌的 XRD 图谱（图 ）可知，样品的衍射峰与标准谱 (JCPDS no 361451)相符合 [24]。 所得的特征峰明显，既高又细，比较集中，没有其他明显的衍射峰。 此结果说明，我们所得的晶体晶面规则，生长较好，纯度较高，没有其他杂质产生。 第 18 页（ 共 27 页） 图 所的样品的形貌特征 从图 我们可以清楚的观察到，样品结构与 SEM 图一致。 所得样品为花状氧化锌纳米结构，有许多 35 μm 的纳米棒组成。 样品的的尺寸大小适中，结构清晰，并且没有。