完整版氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究毕业设计定稿Word文件下载.docx
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1.1.2纳米技术的含义（4）
1.1.3纳米材料含义（5）
1.2ZnO纳米材料（6）
1.2.1ZnO纳米材料简介（6）
1.2.2ZnO纳米材料的分类（8）
1.3ZnO半导体气体传感器（9）
1.3.1半导体气体传感器原理（9）
1.3.2ZnO半导体气体传感器分类（10）
1.3.3半导体气体传感器性能指标（10）
1.4制备方法及研究现状（11）
第二章ZnO纳米材料的制备（13）
2.1实验所用材料及仪器（13）
2.2ZnO制备原理及过程（13）
2.3实验结果分析与讨论（17）
2.4ZnO气体传感器的气敏机理（19）
2.5ZnO气体传感器的性能测试（20）
2.6小结（23）
第三章纳米材料的现状及前景（24）
参考文献（25）
Abstract（27）
氧化锌纳米材料的制备及其气敏性特性研究
作者：
王洋
指导老师：
徐秀梅
摘要：
以二水乙酸锌（C4H10O6Zn）和水合肼（N2H4·H2O）为原料，采用低温水热制备分等级ZnO纳米材料，通过（XRD），透射电镜（TEM），扫描电子显微镜（SEM），光致发光谱等[1]对所制备的氧化锌样品进行表征并分析晶体结构，通过交叉实验分析其生长机理，进而进行气敏性的研究。
检测所测气体的组成及其含量由气体传感器完成，而气体传感器由ZnO敏感材料为基体材料制得进行。
关键词：
水热法；
氧化锌；
传感器；
气敏性
第一章绪论
1.1纳米技术简介
科技进步带动了城市化进程的飞速发展。
人类社会已经经历了两次工业革命，这两次工业革命给人类带来了极大的便利，但是也带来了一系列问题。
例如，工业生产，煤矿燃烧，汽车尾气等排放的废气越来越多，这些排放的废气对人类的生存与发展造成的危害日益严重，不容小觑。
庆幸的是，越来越多的人注意到了大气问题对人与自然所造成的危害，开始关注这一问题，关注人类自身的健康与安全。
为了改善人们的居住条件和提高生活质量，很多国家制订了相应的法律法规，我国政府也制订了符合我国国情的法律法规。
各种各样的气体在人们的生活中必不可少，无法替代。
有些是人类健康至关重要的的气体，如O2、CO2、N2；
有些是环境和人体健康的杀手——含碳氧化物的不完全燃烧CO，硫的氧化物，氮的氧化物等；
有些是室内装修所产生甲醛，氨气，硫化氢，氯乙烯，苯乙烯等气体。
因此开发和研究高性能的气体传感器是未来的趋势。
一些常见常用的传感器，由SnO2，Fe2O3，ZnO作为基体材料制备的传感器等等已经广泛应用于工业与日常生活。
其中ZnO半导体气体传感器以其独特的优势——对气体反应迅速，耗电量少，适合带出去，可靠系数高等，在众多传感器中鹤立鸡群，被广泛应用。
1.1.1纳米技术的简介
纳米技术一般指纳米级（0.1-100nm）的材料设计、制造、测量、控制和产品的技术[2]。
纳米技术主要包括：
纳米粒子的测量、加工、制备、组装技术；
纳米材料；
纳米生物学技术；
纳米物理学；
纳米化学等[3]。
纳米物理学和纳米化学是纳米技术的技术支撑，只有这两项技术取得发展，其他相关产业才能进步。
纳米电子学是纳米技术最重要的内容，也是我们研究的主要内容。
目前，研制出的纳米产品涉及人们衣食住行的各个方面：
纳米防辐射服——可以有效地帮助人们减少来自电子产品和太阳的辐射；
纳米炊具——具有良好的导电性和杀菌作用,对人体无毒无害；
纳米涂料——这样的涂料颗粒细腻，美观，耐用，刷出来对人体伤害也小；
纳米技术制造的器件性能优异，可延长发动机的使用寿命和提高工作效率；
还有纳米机器人、纳米卫星、纳米人造器官等。
未来，纳米技术的发展一定会影响人类的生产生活方式。
在纳米技术的发展历程中，世界各国的许多科学家作出了杰出的贡献。
纳米技术的概念最早由加州理工大学的费曼教授在1959年提出的，这一概念在1990年由IBM公司的科学家做出了证明。
他们对单个原子进行重新排列，使得纳米技术突飞猛进。
纳米材料的制备主要存在三个问题：
材料结构的尺寸是否达到纳米级、材料纯度是否足够高、所得材料的成份是否合理。
一旦这三个问题被解决，就会使得纳米材料的制备技术突飞猛进，产生大量的崭新器件。
纳米技术是一种高新技术，应用前景广阔，属于朝阳产业，人们的研究主要集中在基础的理论研究和实际应用两个方面。
纳米技术经济效益巨大，各国都争相开发研究，我国也不例外。
我国曾召开纳米科技发展战略研讨大会，制订了一系列的的扶持政策及法律，极大地推动了我国纳米技术的发展。
因此，我国的纳米技术与世界同步。
1.1.2纳米技术的含义
纳米（nm），一种长度单位，1nm=10-9m的长度。
形象的说，是一个头发径向的五万分之一，每根直径约为1nm。
纳米技术，从微观上来说，是指尺寸在0.1-100nm范围内，研究原子、分子和电子内部运动规律和特性的一项崭新技术[3]。
利用这些纳米尺度范围内的若干个原子、分子，对其进行加工，制造成器件设备[4]。
但是，对纳米材料进行简单的加工并不能称之为纳米技术，因为它没有表现出任何新的结构和性能。
纳米技术是通过特定的技术，对纳米材料的分子、原子进行特定的排列或加工重组，使之产生新的特性和功能，这样的技术可以称之为纳米技术。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。
1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。
其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。
纳米技术与传统的微电子技术不同，纳米技术利用电子的波动性，研究的是单个的分子、原子，通过对他们的控制来实现设备的特定功能[5]；
微电子技术利用电子的粒子性，主要通过控制电子群来实现其功能[6]。
两者有着本质的区别。
1.1.3纳米材料含义
纳米材料（图1.1）是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围或由他们作为基本单元构成的材料[7]。
纳米材料主要以下几个性质：
①表面效应
又称界面效应，是指纳米晶体微粒表面原子数与总原子数之比随微粒半径变小而急剧增大后所引起纳米材料的性质上的变化[8]。
如果纳米颗粒尺寸减小，会造成表面原子数量增多。
因为位于表面的原子占了纳米体积相当大的一部分，两者的比例也是判断纳米材料的一个重要指标[9]。
表面原子易于其他原子结合，形成稳定的结构。
②小尺寸效应
当颗粒的尺寸变小，会出现两种现象：
一种是物体的性质不发生变化，另一种就是物体的性质发生变化：
颗粒的边界被破坏，从而使其声、光、电、磁等性能呈现出异常的现象周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁等性能呈现出异常的现象[10]——这就是小尺寸效应。
③量子尺寸效应
形成固体的原子的能级和在一起形成了能带，原子的能级间距很小，因此能带可以看做是连续的[10]。
当能带分裂时，微粒的光子能、电能、磁能等比平均间距还要小，物体会出现一些意想不到的性质，我们把性质叫做量子小尺寸效应。
④宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应[10]。
纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应[10]。
图1.1各种纳米材料结构
1.2ZnO纳米材料
1.2.1ZnO纳米材料简介
图1.2ZnO的基本性质
氧化锌（ZnO）俗称锌氧粉、锌白粉。
常温下难溶于水的的两性氧化物，密教比较大，硬度较小。
激子束缚能比较高。
高能带隙使得ZnO的导电性好，维持电场能力强和击穿电压高。
半导体的禁带宽度取决于能带结构[11]。
如果要改变ZnO的禁带宽度可以掺杂一定量的MgO。
由于杂质能带的出现会使能带隙在3-4eV之间变化。
图1.3氧化锌的晶体结构
氧化锌晶体有三种结构，如图1.3所示，从左到右依次是：
八面体结构、立方闪锌矿结构、六边纤锌矿结构[12]。
ZnO的晶体结构会随着外界条件的改变而改变。
其中，纤锌矿结构最常见——晶体的氧原子与锌原子形成原子层，紧密相邻，成理想的六边形排列，因而结构最稳定。
从图中也可以看出，ZnO的晶体结构成中心对称，因而具有压电效应和焦热电效应，因而可用来制作压电传感器[13]。
闪锌矿结构每个锌或氧原子都与相邻原子以离子键结合[13]，形成正四面体结构，也有中心对称性，因而具有压电效应，这也是ZnO晶体压电张量高的原因之一。
八面体结构很少见，与NaCl结构像似，每个锌原子周围有6个氧原子，每个氧原子周围有6个锌原子，只有在特高压的条件下才能形成。
氧化锌的用途很广泛：
在工业上，可用于合成橡胶、塑料，而且有着色作用，还可以用来制作涂料、润滑油、催化剂等[14]；
在电子产业中，可用于制作液晶显示屏，薄膜晶体管，精密器件等；
在医学方面，氧化锌由于具有杀菌消炎的作用，可以制成脚气粉、橡皮膏、补牙、做填充剂等。
氧化锌的前景广阔，具有极高的研究价值和经济效应。
1.2.2ZnO纳米材料的分类
纳米材料可以按照维数分为三类：
①零维，纳米材料的三维空间尺度均在纳米尺度的范围内，如纳米颗粒，纳米团簇；
②一维，纳米材料的三维空间尺度有两维尺度在纳米尺度范围内[15]，如纳米丝，纳米管，纳米棒；
③纳米材料的三维空间尺度有一维尺度在纳米尺度范围内，有一维纳米棒组成阵列和多空薄膜，片花状结构，如超薄膜，多层膜，超晶格[16]。
图1.4棒状纳米结构
图1.5花状的纳米结构
图1.6球形纳米结构
1.3ZnO半导体气体传感器
1.3.1半导体气体传感器原理
半导体气体传感器工作原理是由变化的电导率决定的，电导率随着温度、压强等其他因素变化[17]转换成电信号反映出来。
现在已经成功研制了很多传感器：
酒精、一氧化碳、硫化氢、氨气等，以满足工业检测需要。
缺点是稳定性差，受光照，温度，湿度，气压与时间等因素影响较大，需要我们不断改进技术，以获得更好的性能。
目前，传感器向智能化、数字化，迷你化的方向发展。
传感器的研制、开发、制造、生产、销售，带动了很多产业的发展，成为新的经济增长点，人们争相研究。
1.3.2ZnO半导体气体传感器分类
目前，金属氧化物半导体气体传感器主要分为两类：
电阻型和非电阻型[18]。
具体划分图见图1.7。
我们主要用电阻型传感器，在这三种中，烧结型传感器因其独特的优势：
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1.7金属氧化物半导体气体传感器
1.3.3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，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
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