【文章內容簡介】 因其獨特的優(yōu)勢：開發(fā)研制的早，制作過程可控，便于攜帶，市面上流行的比較多。但是，不利于大量生產，正在逐步取代燒結型傳感器。薄膜型傳感器主要缺點是制作過程不穩(wěn)定，難以 控制，優(yōu)勢是功耗低，污染小，可以大量產出，因而經(jīng)濟效益比較好，受到人們的廣泛關注，是未來傳感器發(fā)展的重點 [18]。 圖 半導體氣體傳感器性能指標 金屬氧化物氣體傳感器的性能判定指標有很多：靈敏度，穩(wěn)定性， 第 11 頁（ 共 27 頁） 對氣體的反應速度和恢復時間等 [19]。相對于其他傳感器，金屬氧化物半導體氣體傳感器具有許多優(yōu)勢：首先，金屬氧化物氣體傳感器靈敏度高，對于對于污染環(huán)境的殺手 —— 氮的氧化物和硫的氧化物等氣體，靈敏度可以達到 ppb 等級；其次，反應和恢復時間都很短，以最少幾秒和最多幾十秒的速度讓其他傳感器甘拜下風；而且，金屬氧化物半導體材料都是固體，適合帶出去，也方便進行二次檢測，這是其他傳感器所不具備的優(yōu)勢；耗電量少，使用期限長，電路簡潔易懂，價格適中。這些優(yōu)異的性能的使得金屬氧化物氣體傳感器成為廣為應用和流行的傳感器。 制備方法及研究現(xiàn)狀 傳感器的 發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了三個階段：第一階段 —— 結構型傳感器，這一階段的傳感器制作粗糙，靈敏度不高，也不耐用；第二 ——固體型傳感器，這一階段傳感器取得了很大發(fā)展，人們制造出了種類繁多的傳感器，性能上也有很大提高；第三階段 —— 智能型傳感器，這一階段的傳感器的制造技術不太成熟，剛剛發(fā)展起來，總的來說越來越智能化。 制備 ZnO 納米材料的方法有很多，根據(jù)其原理主要可分為三類：化學法和物理法。化學法包括氣相沉淀法，溶膠 凝膠法（ Solgel），水熱法 [20]?；瘜W法的優(yōu)點在于，獲得的納米材料粒度純度高，工藝流程可控 ，材料的表面活性好；缺點是樣品顆粒比較大，容易粘在一起。目前主要用于一維二維納米材料的制備。物理法包括氣相沉積法（ CVD）、激光輻照法等，是指材料在光電技術的作用下在真空中或 第 12 頁（ 共 27 頁） 者惰性氣體中分子或者原子形成納米材料。 眾所周知，不同的合成方法，會對納米材料的形貌，尺寸產生影響，進而影響到納米材料的性能。所以人們對納米材料不斷進行研究，力圖獲得一種操作簡單，成本低，形貌規(guī)矩，尺寸均勻的方法。隨著科學技術的發(fā)展，工藝的改進，人們對納米材料的認識不斷加深，采用的方法也越來越合理與先進。本章我們主要介紹水熱法。 水熱法是指物質在高溫和強壓的水溶液中進行的化學反應。由于反應處于分子水平，反應性能高，因而水熱反應可以替代某些高溫固相反應 [21]。與其他方法相比，水熱法的流程簡單、過程可控并且價格易于接受，沒有副產物產生，所得的產物純度高，粒度細膩，是我們研究的重點。 第 13 頁（ 共 27 頁） 第二章 ZnO納米材料的制備 實驗所用材料及儀器 二水乙酸鋅（ C4H10O6Zn，純度 ≧ 99％，國藥集團化學試劑公司），水合肼 (H6N2O， 80％，國藥集團化學試劑公司 )。 X 射線衍射儀（ XRD，型號 DIFFRACTOMETER6000 型），透射電子顯微鏡（ TEM，型號 : G2 F20 STWIN），掃描電子顯微鏡（ SEM，型號 LE840EQD， LG Display），反應釜（可自行設定反應溫度，不允許透氣），室溫熒光光譜，去離子水，干燥箱，離心機，馬弗爐 [22]。 ZnO 制備原理及過程 二水乙酸鋅，又名乙酸鋅、二水醋酸鋅，白色單斜片狀晶體，具有珍珠光澤，微帶醋酸味，熔點 100℃，沸點 2424℃，相對密度， 可溶于水和乙醇，可用于檢測硫化氫、蛋白的試劑色譜分析試劑，聚酯工業(yè)等。 水合肼（ N2H4?H20）又稱水合聯(lián)氨，無色發(fā)煙液體，具有強堿性和吸濕性。可以快速電離 OH。在化學反應時， OH 與 Zn2+結合生成Zn(OH)2 絡合物， Zn(OH)2 絡合物脫去一分子的 H2O 形成 ZnO。 ZnO表面的原子比較活躍 ，在適合的生長的方向上生長迅速。隨著實驗 條 件的改變它會分化成分等級結構，實驗過程中 的化學方程式： N2H4?H2O=N2H5++OH Zn2++4OH=Zn(OH)42 Zn(OH)42=ZnO↓+H2O+2OH 第 14 頁（ 共 27 頁） 從上述化學方程式可以看出影響分等級的納米結構的因素有很多：溶 液的溫度， PH 值，溶液中 Zn2+濃度等。 X 射線衍射儀（ XRD） X 射線屬于電磁波的一個分支，波長很短（ nm），不借助外在物體，肉眼無法觀察，因此需要我們借助 XRD。 X 射線衍射儀（ XRD）利用衍射原理，可以觀察到某些由于突然減速而使外層電子遷躍的電子流。利用 XRD(圖 )確定所得 ZnO 的形貌結構，進行進一步的分析。 X 射線一經(jīng)問世就被應用于各個領域 ， 成為研究微觀物質結構的一把利器。 圖 X射線衍射儀的工作原理 透射電子顯微鏡（ TEM） 在光學顯微鏡下小于 μm 的細微結構我們無法看清，因此要想看到更加細微的結構必須用波長更短的光源，以此提高顯微鏡的分辨率。目前 TEM 的分辨力可達 nm。分辨率 nm 以下的電鏡可用來觀察細微的物體形貌及結構，既能觀測原子或原字團的排列，又能確定其所處的空間位置。 第 15 頁（ 共 27 頁） 圖 掃描 電子顯微鏡 (scanning electron microscopy， SEM)的原理是：電子槍發(fā)射電子束，電子束與物質的相互反應，獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構等 [23]。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述原理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現(xiàn)。 第 16 頁（ 共 27 頁） 圖 圖 反應釜結構圖 從圖 中可以看出組成反應釜的器件眾多，由防爆機、減速器、攪拌器及冷卻裝置、接地設備、測溫設備等組成。屬于特種設備，使用時必須嚴格遵守與防爆要求 ，使用前進行加壓、加溫測試，實驗氣體最好用惰性氣體，嚴禁使用易燃易爆氣體；操作過程中不能速冷速熱，以防釜體破裂；每次用完必須及時清除高壓釜內外的殘留物，所有密封面必須經(jīng)常清洗，保持干燥。 具體實驗過程如下： 在燒杯放入 （ 10 mmol）的二水乙酸鋅和 60 ml 的去離子水，兩者充分混合，用攪拌機攪拌 30 min，再用膠頭滴管向溶液中緩慢滴入 4 ml 水合肼（聯(lián)氨），再攪拌 30 min。將所得的溶液倒 第 17 頁（ 共 27 頁） 入水熱釜中，再放入 160186。C 的密封干燥干燥箱中，反應 24 h，自然冷卻至室溫。拿出溶液，用去 離子水和乙醇（ C2H5OH）對所得溶液反復進行離心洗滌，在 80186。C 的干燥箱中干燥 5 h[24]，最后在 500186。C 的馬弗爐中灼燒 2 h，所得的白色粉末就是 ZnO。 實驗結果分析與討論 將所的樣品的晶體結構，微觀結構和形貌，分別用 X 射線衍射儀（ XRD， D/MAX2500 型衍射儀， Cu 的射線 ， λ=），掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡進行表征。 圖 所得氧化鋅的 XRD圖譜 由水熱法得到氧化鋅的 XRD 圖譜（圖 ）可知，樣品的衍射峰與標準譜 (JCPDS no 361451)相符合 [24]。所得的特征峰明顯，既高又細，比較集中，沒有其他明顯的衍射峰。此結果說明，我們所得的晶體晶面規(guī)則，生長較好，純度較高，沒有其他雜質產生。 第 18 頁（ 共 27 頁） 圖 所的樣品的形貌特征 從圖 我們可以清楚的觀察到，樣品結構與 SEM 圖一致。所得樣品為花狀氧化鋅納米結構，有許多 35 μm 的納米棒組成。樣品的的尺寸大小適中，結構清晰，并且沒有