【摘 要】
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气体传感器体积小、灵敏度高、成本低,易于构建节点密集的传感网络,目前被广泛应用于气体检测领域。特别是,半导体金属氧化物气体传感器因为具有稳定性高、结构简单、检测下限低等特点,应用最为普遍。然而,金属氧化物半导体气体传感器的工作温度通常在100~400℃,较高的工作温度虽能为材料表面的气体吸附和反应提供必需的能量,但却导致一些负面效应。首先,传感器在遇到易燃易爆气体时易造成安全事故;其次,高温会带来
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气体传感器体积小、灵敏度高、成本低,易于构建节点密集的传感网络,目前被广泛应用于气体检测领域。特别是,半导体金属氧化物气体传感器因为具有稳定性高、结构简单、检测下限低等特点,应用最为普遍。然而,金属氧化物半导体气体传感器的工作温度通常在100~400℃,较高的工作温度虽能为材料表面的气体吸附和反应提供必需的能量,但却导致一些负面效应。首先,传感器在遇到易燃易爆气体时易造成安全事故;其次,高温会带来大量的能量消耗并影响敏感材料及传感器的稳定性,严重影响传感器的使用性能,因此获得室温气体传感器尤为重要。此外,近年来柔性可穿戴气体传感器发展迅速,在呼气诊断、健康检测等领域表现出广阔的应用前景。传统的柔性金属氧化物半导体气体传感器,通常是将金属氧化物半导体与柔性有机衬底相结合,通过柔性衬底将外界应力释放掉,实现器件的柔性弯曲。然而,金属氧化物半导体敏感材料的自身刚性和脆性严重制约着其在柔性气体传感器领域的发展,柔性有机衬底较差的高温耐受性也会使柔性传感器的制作受到诸多限制。与此同时,有机高分子与无机金属氧化物的之间较弱的范德华力导致传感器在弯折状态下敏感材料易脱落,严重影响传感器的稳定性。针对上述问题,本文创造性的以无机柔性钇稳定氧化锆(YSZ)纤维为衬底,以SnO2为主要敏感材料,利用光激发的方式构建了YSZ/SnO2基室温气体传感器并进行了如下研究:(1)以静电纺丝法制备的YSZ纤维作为柔性衬底,通过水热法功能化YSZ纤维得到了不同微观结构的YSZ/SnO2复合纳米纤维。对于YSZ/SnO2复合纤维的研究结果表明,SnO2厚度越大,材料的宏观柔性越差,抗拉伸性也越差。对于相同厚度的SnO2(~100 nm),组装式的SnO2纳米片层相对于一体式的SnO2厚膜,宏观上具有更好的柔性以及抗拉伸性。由于光阱效应,纳米片的设计同样可以增强光的吸收。并且纳米片结构使得敏感层具有更高的比表面积,可以为SnO2敏感材料在气体检测过程中提供更多的活性位点,加快气体的响应过程。基于YSZ/SnO2复合纳米纤维制成紫外光激发室温气体传感器,紫外光激发不仅降低了传感器的工作温度,而且促进了气体解吸,使得传感器具有更好的恢复性。(2)通过自牺牲硫化法将YSZ/SnO2纳米纤维硫化,获得了YSZ/SnO2/SnS2复合纳米纤维,通过调控硫化量调整异质结的含量。研究结果表明SnO2/SnS2异质结的构建有效降低了光生载流子的复合效率,同时将材料对光的吸收从紫外光区转移至可见光区。在力学性能方面,YSZ/SnO2/SnS2复合纳米纤维具有比YSZ/SnO2纤维更好的柔性以及抗拉伸性。在可见光激发下对NO2气体的室温灵敏度约为YSZ/SnO2的三倍,并且其灵敏度随光强增加逐渐变高,说明光激发对于提升材料的灵敏度具有很大的帮助。同时YSZ/SnO2/SnS2复合纤维具有优秀的选择性以及稳定性,在15天的时间内可以保持较为稳定的灵敏度以及基础电阻,在70%的湿度下灵敏度降低不超过5%,具有一定程度的耐湿性。传感器在弯折状态下亦可实现对NO2气体的高灵敏检测。
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