光热调制下金属氧化物气敏材料选择性优化研究

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人类在生产生活中对气味检测的需求促进的气敏传感器的研究。气敏传感器广泛应用于工业生产、环境监测、国防安全等领域。金属氧化物半导体气敏传感器因其高灵敏度、低成本、信号测量简单而被广泛应用。但由于其选择性差,限制了使用范围。通过组合材料学方法和外场调制可以提高选择性,针对特定的应用场合选用最佳的材料和工作条件(光、热等外场调制)。  通过外场调制提高金属氧化物气敏材料选择性的方法有很多,其中光热调制可以获取包含待测气体在材料表面反应信息的特征,用于识别所测气体类别。对金属氧化物气敏材料进行元素修饰,不仅可以改变材料表面耗尽层的分布,还可以调控金属氧化物表面化学活性,是一种简单有效的提升金属氧化物气敏材料性能的方法。构建复合材料体系,将不同金属氧化物半导体气敏材料进行复合,利用不同组分金属氧化物材料之间的协同效应或者是异质结作用,提高气敏性能。因而本文提出了光热调制的测试模式,基于高通量筛选测试方法,测试了30余种元素表面改性的3种金属氧化物基体材料以及3种基体材料相互复合的复合材料体系的气敏性能,筛选出具有高度选择性的传感器阵列。  首先,以0.5wt.%Pt表面修饰的ZnO作为气敏材料,在恒温、热调制、光热调制三种模式下测试了传感器对5种不同测试气体响应曲线,运用PCA和FDA方法分析了传感器对所测气体的识别能力。  其次,利用组合材料学思想建立了33种元素表面修饰的ZnO、SnO2、WO3材料体系以及ZnO、SnO2、WO3三元复合材料体系,通过自制的气敏膜高通量测试平台获取了它们的光热调制谱图,并对其进行特征提取,分析了改性元素和基体对材料气敏响应和光响应的影响,并针对被测气体筛选出选择性最佳的传感器阵列。
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