水合肼还原的氧化石墨烯吸附NO_2的实验研究

还原氧化石墨烯由于独特的原子结构,作为气体检测领域有潜力的候选者引起了研究者们的广泛兴趣.本文采用水合肼作为还原剂来制备还原氧化石墨烯,并以此作为叉指电极的气体敏感层,研究了其对NO2气体的响应特性.结果表明,水合肼还原的氧化石墨烯可以实现在室温下对浓度为1—40 ppm (1 ppm=10–6)的NO2气体的检测,具有较好的响应性和重复性,恢复率可以达到71%以上,但是灵敏度只有0.00201 ppm–1,还有较大的提升空间.此外,对浓度5 ppm的NO2的响应和恢复时间分别是319 s和776 s.水合肼还原的氧化石墨烯气体传感器的传感机制可归因于NO2分子和传感材料之间的电荷转移.还原氧化石墨烯的突出电学特性促进了电子转移过程,这使得传感器在室温下表现出优异的气体传感性能.本实验研究可为石墨烯基传感器件的应用奠定一定的基础.     

微流控技术制备ZnO纳米线阵列及其气敏特性

利用微流控技术在微通道中制备了Zn O纳米线阵列,通过X射线衍射和扫描电子显微镜分别对纳米线的物相和表面形貌进行了表征.结果发现,合成的Zn O纳米线具有良好的c轴择优取向性和结晶度.同时,对Zn O纳米线阵列在丙酮、甲醇和乙醇气体中的气敏特性进行了研究,测试结果表明:在最佳工作温度(475?C)下,纳米线阵列对200 ppm(1 ppm=10-6)丙酮气体的最大灵敏度可达8.26,响应恢复时间分别为9和5 s;通过与传统水热法制备的Zn O纳米线的气敏性能相比较发现,基于微流控技术制备的纳米线阵列具有更高的灵敏度和更快的响应恢复速度.最后,从材料表面氧气分子得失电子的角度对Zn O纳米线气敏机理进行了讨论.     

氧化钨纳米线气敏传感器的制备及其室温NO_2敏感特性

纳米结构的氧化钨有高比表面积和气体吸附能力,在气体传感器领域得到了广泛研究.本文采用磁控溅射金属钨薄膜和两步热氧化工艺在二氧化硅衬底上生长出氧化钨纳米线.通过改变第二步氧化温度,研究退火温度对氧化钨纳米线气敏特性的影响.采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱分析仪和透射射电子显微镜表征材料的微观特性和晶体结构,利用静态配气法测试气敏性能.研究结果表明,经过退火处理后氧化钨纳米线密度略微降低,300℃比400℃退火后的氧化钨结晶性差,对应的表面态含量多,有利于室温气体敏感性.测试NO_2的气敏性能,经过对比得出300℃退火温度下制备的氧化钨纳米线在室温下表现出较很好的气敏响应,对6 ppm(1 ppm=10~(-6))NO_2达到2.5,对检测极限0.5 ppm NO_2响应达1.37.氧化钨纳米线在室温下表现出反常的P型响应,是因为氧化钨纳米线表面被氧气吸附形成反型层,空穴取代电子成为主要载流子所致.     

单根Sb掺杂ZnO微米线非平衡电桥式气敏传感器的制作与性能

通过使用化学气相沉积法,成功制备出超长、大尺寸的Sb掺杂ZnO微米线.基于非平衡电桥原理,利用单根Sb掺杂ZnO微米线作为非平衡电桥的一个桥臂,制作出了可以在室温环境下工作的气敏传感器原型器件.结果表明:室温下测得该传感器对20,50,100和200 ppm(1 ppm=10^-6)不同浓度的丙酮及乙醇气体的响应-恢复曲线均呈现为矩形形状,在空气及被测气体中均有稳定的电流值,并随着探测气体浓度的增大,器件的响应值也在逐渐增加.此外,还发现器件对丙酮气体具有更好的选择性,当丙酮气体浓度为200 ppm时,该传感器的响应时间为0.2 s,恢复时间为0.3 s,响应度高达243%.通过与普通电导式气敏传感器对比发现,采用这种非平衡电桥结构传感器可以明显地提高响应度,使响应和恢复时间更快.此外,还研究了器件的气体探测机理.     

Pd颗粒表面修饰ZnO纳米线阵列的制备及其气敏特性

采用化学气相沉积(CVD)方法在SiO_2/Si衬底生长了ZnO纳米线阵列,纳米线长约为15μm,直径为100~500 nm。通过改变溅射沉积时间(0~150 s),在ZnO纳米线表面包覆了不同厚度的Pd薄膜。在Ar气氛中,经800℃高温退火后,制备出Pd颗粒表面修饰的ZnO纳米线阵列并对其进行了气敏测试。对于乙醇而言,所有传感器最佳工作温度均为280℃。溅射时间的增加(3~10 s)导致ZnO纳米线表面Pd纳米颗粒数量及尺寸增加,传感器响应值由2.0增至3.6。过长的溅射时间(30~150 s)将导致Pd颗粒尺寸急剧增大甚至形成连续膜,传感器响应度显著降低。所有传感器对H2均表现出相对较好的选择性,传感器具有较好的响应-恢复特性和稳定性。最后,探讨了Pd颗粒表面修饰对ZnO纳米线阵列气敏传感器气敏特性的影响机制。     

基于声表面波的氢气传感器*

将钯基材料对氢气分子的特异选择性吸附能力与声表面波的快速响应特点相结合,可实现一种快速、高灵敏和低功耗的氢气检测与报警技术。传感器由双通道差分式振荡器与沉积在传感器件表面的声表面波传播路径上的钯基气敏薄膜组成。为提升传感器响应速度,该文探讨了采用钯镍合金薄膜与钯铜纳米线作为气敏材料的氢气传感器响应特性,通过对气敏材料制备方法及参数的优化,研制了两种沉积不同钯基气敏材料的氢气传感器件,并对其性能进行了评测。实验测试结果表明:钯铜纳米线气敏材料由于具有大体积表面积比和多孔结构,大幅提高了SAW氢气传感器响应速度,针对浓度为10%、4%以及0.5%的氢气响应时间可达～2s。     

快速吸附与脱附的声表面波H2S传感器

本文主要研究了基于SnO₂/CuO薄膜的声表面波（SAW）传感器（室温下,工作频率约为147.8 MHz）检测H₂S气体的特性。以36°YXLiTaO₃为基片制作声表面波器件,通过采用射频磁控溅射法在其表面淀积SnO₂/CuO的复合薄膜制作出H₂S气体传感器。由场发射电子扫描电镜观察薄膜,薄膜连续均匀且表面分布大量微气孔,因而具有良好的吸附性。然后本文在85℃～205℃范围内对传感器的吸附和脱附速率、灵敏度及选择性等进行了实验研究。实验结果表明,所制备的传感器在较低温度下同时具备快速吸附和脱附特性,工作在190℃时气体吸附和脱附速率最快,检测20ppm H₂S的响应和恢复时间分别为30s、15s;工作在160℃时,传感器检测20ppmH₂S的灵敏度最高,工作频率变化约230 kHz,且对于低浓度2 ppm H₂S,频率变化可达45 kHz。同时,传感器也表现出良好的重复性和选择性。     

电化学电镀ZnO对石墨烯基NO_2气敏传感器的气敏性影响

通过低压化学气相沉积的方法制备了单层石墨烯,用电化学电镀的方法在石墨烯表面沉积了氧化锌纳米层,制作出一种新的、简单、高效的掺杂氧化锌纳米层的石墨烯基气敏传感器,并研究了本征的和电镀氧化锌的石墨烯基气敏传感器对不同体积分数的NO_2气体的响应特性和恢复特性。实验表明:在工作电压-0.5V,时间300s的条件下电镀ZnO的石墨烯基传感器的气敏性最好,其对10ppm NO_2的灵敏度为-22.126%(本文中定义灵敏度为测量电阻R与本征电阻R_0的差值与本征电阻的比值,故为负值),是本征石墨烯传感器的3.85倍,且响应的最低浓度达到0.5ppm(其灵敏度为-0.786%)。     

钒掺杂W18O49纳米线的室温p型电导与NO2敏感性能

钨氧化物纳米线在高灵敏度低功耗气体传感器中极具应用潜力, 且通过掺杂改性可进一步显著改善其敏感性能. 本文以WCl₆为钨源, NH₄VO₃为掺杂剂, 采用溶剂热法合成了钒掺杂的W₁₈O₄₉纳米线. 利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱仪表征了纳米线的微结构, 并利用静态气敏性能测试系统评价了掺杂纳米线的NO₂敏感性能. 研究结果表明: 五价钒离子受主掺杂进入氧化钨晶格结构, 抑制了纳米线沿轴向的生长并导致了纳米线束的二次集聚; 室温下, 钒掺杂W₁₈O₄₉纳米线接触NO₂气体后表现出反常的p型响应特性; 随工作温度逐渐升高至约110 ℃时, 发生从p型到n型的电导特性转变; 该掺杂纳米线气敏元件对浓度低至80 ppb (1 ppb=10^-9) 的NO₂气体具有明显的室温敏感响应和良好的响应稳定性. 分析并探讨了钒掺杂W₁₈O₄₉纳米线的高室温敏感特性及其p-n电导转型机理, 认为钒掺杂W₁₈O₄₉纳米线在室温下的良好敏感响应及反常p型导电性与掺杂纳米线表面高密度非稳表面态诱导的低温气体强吸附有关. 关键词： 氧化钨 纳米线 气体传感器 室温灵敏度     

基于CsPbBr3钙钛矿量子点的高柔性绿光发光二极管

众所周知,柔性信息显示将在未来的光电应用中发挥重要作用。然而,由于电极材料和柔性衬底的选择有限,制备高效、稳定的柔性发光二极管仍然存在巨大的挑战。以光聚合物作为柔性衬底、CsPbBr3量子点作为发光层,成功地制备了柔性钙钛矿发光二极管。为了改善电子的注入和传输,采用Ag作阴极。结果表明,高柔性的钙钛矿发光二极管的最高亮度为10325 cd/m2且具有高色纯度(FWHM=19 nm)。此外,制备的钙钛矿发光二极管具有良好的柔性和机械延展性。在大约180°的弯曲角度下反复弯曲100次后,仍然保持着良好的器件性能。该研究为未来柔性显示器的应用奠定了研究基础。     

Ammonia sensing characteristics of ZnO nanowires studied by quartz crystal microbalance

The ZnO nanowires have been prepared and studied as the sensing element for the detection of ammonia. The ZnO nanowires were first synthesized by evaporating high purity zinc pellets at 900 °C and then distributed onto the electrode surfaces of quartz crystals at room temperatures. Gas sensitive properties of ZnO nanowires layer were studied in terms of the quartz crystal microbalance (QCM) at room temperature. It is found that the obtained response of the sensors varied with the thickness of the ZnO nanowires layer. ZnO nanowires showed high sensitivity to ammonia in the range of 40-1000 ppm. The response time of the sensor was as fast as ∼5 s at any concentration (40-1000 ppm) of ammonia gas. The ZnO nanowires-coated sensors have a good frequency stability and reproducibility. All results demonstrated that the ZnO nanowire was a potential gas sensing material for practical use.     

基于石墨烯/石墨烯卷轴复合薄膜高灵敏度柔性压力传感器

一维导电材料例如纳米线，大量应用于柔性压力传感器中. 但是一维材料和基底之间接触时相互作用力较弱，使得传感器灵敏度、响应时间、和循环寿命等性能指标有待进一步提高. 针对这些问题，设计了石墨烯/石墨烯卷轴多分子层复合薄膜作为传感器导电层. 石墨烯卷轴具有一维结构，而石墨烯的二维结构可以牢固地固定卷轴，以确保高导电性复合薄膜与基底之间的粘附性，同时整体结构的导电通道得到了增加. 由于一维和二维结构的协同效应，实现了应变灵敏度系数3.5 kPa^-1、 响应时间小于50 ms、能够稳定工作1000次以上的压阻传感器.     

Sono-synthesis approach of reduced graphene oxide for ammonia vapour detection at room temperature

In this paper, we report the sono-synthesis of reduced graphene oxide (rGO) using polyethyleneimine (PEI), and its performance for ammonia vapour detection at room temperature. Graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) were prepared by sonication method by using low-frequency ultrasound under ambient condition and films were deposited by Doctor Blade method. The rGO, which has vapour accessible structure showed a good sensing response with a minimum detection limit of 1 ppm and the detection range from 1 ppm to 100 ppm. The sensing response was found to be 2% at 1 ppm and 34% at 100 ppm of ammonia and the developed sensor operated at room temperature. The sensor displays a response time of 6 s and a recovery time of 45 s towards 100 ppm of ammonia vapour. The source for the highly sensitive, selective and stable detection of ammonia with negligible interference from other vapours is discussed and reported. We believe reduced graphene oxide (rGO) could potentially be used to manufacture a new generation of low-power portable ammonia sensors.     

氧化钨纳米线-单壁碳纳米管复合型气敏元件的室温NO2敏感性能与机理

利用溶剂热法合成了一维的氧化钨纳米线, 通过掺入适量单壁碳纳米管(SWNT)制备了基于氧化钨纳米线-SWNT 复合结构的室温气敏元件并评价了其对NO₂气体的室温敏感性能. 利用X射线与扫描电子显微镜表征了材料的微结构, 结果表明, 合成的氧化钨纳米线具有单斜的W₁₈O₄₉结构, 复合材料中SWNT被包埋在氧化钨纳米线中间. 气敏性能测试结果表明, 氧化钨纳米线-SWNT复合结构气敏元件在室温下对NO₂气体表现出了高的灵敏度和超快的响应特性; 较低的SWNT掺入量对获得好的气敏性能有利. 分析了基于复合结构材料气敏元件的可能的气敏机理, 认为元件良好的室温敏感性能与SWNT掺入在复合结构材料中引入大量的贯穿气孔和p-n异质结有关.     

Metal catalyst-assisted growth of GaN nanowires on graphene films for flexible photocatalyst applications

We report the growth of high-areal-density GaN nanowires on large-size graphene films using a nickel (Ni) catalyst-assisted vapor-liquid-solid (VLS) method. Before the nanowire growth, the graphene films were prepared on copper foils using hot-wall chemical vapor deposition and transferred onto SiO₂/Si substrates. Then, for catalyst-assisted VLS growth, Ni catalyst layers with thickness of a few nanometers were deposited on the graphene-coated substrates using a thermal evaporator. We investigated the effect of the Ni catalyst thickness on the formation of GaN nanowires. Furthermore, the structural and optical characteristics of GaN nanowires were investigated using X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and photoluminescence spectroscopy. The GaN nanowires grown on graphene films were transferred onto polymer substrates using a simple lift-off method for applications as flexible photocatalysts. Photocatalysis activities of the GaN nanowires prepared on the flexible polymer substrates were investigated under bending conditions.     

Low-temperature growth and ethanol-sensing characteristics of quasi-one-dimensional ZnO nanostructures

ZnO nanorods, nanobelts, nanowires, and tetrapod nanowires were synthesized via thermal evaporation of Zn powder at temperatures in the range 550-600 °C under flow of Ar or Ar/O₂ as carrier gas. Uniform ZnO nanowires with diameter 15-25 nm and tetrapod nanowires with diameter 30-50 nm were obtained by strictly controlling the evaporation process. Our experimental results revealed that the concentration of O₂ in the carrier gas was a key factor to control the morphology of ZnO nanostructures. The gas sensors fabricated from quasi-one-dimensional (Q1D) ZnO nanostructures exhibited a good performance. The sensor response to 500 ppm ethanol was up to about 5.3 at the operating temperature 300 °C. Both response and recovery times were less than 20 s. The gas-sensing mechanism of the ZnO nanostructures is also discussed and their potential application is indicated accordingly.