牺牲CNTs模板原位合成金属氧化物类纳米线网络结构及其气敏性能研究

近年来，人们日益追求舒适、美观的室内办公和居住环境，与此同时，室内空气污染问题也日益严重。金属氧化物气敏传感器，作为一种便宜的气体检测手段，得到了广泛的关注和研究。但是，金属氧化物的气体敏感性能强烈地依赖于其微观形态结构，且具有广谱性——只能区分某一类别的气体，而不能鉴定出气体种类，即选择性差。这就限制了金属氧化物气敏传感器的实际应用。虽然，研究者们为了提升金属氧化物的气体敏感性能，开发出了各种特殊的形态结构；但是，传统的器件封装制造方法把材料制备和器件制造分离开来，导致材料的优异形态结构在器件制造过程被破坏，而使优异形态结构的作用得不到有效发挥。本文针对如何保证材料优异形态结构在器件封装制造过程中不被破坏这一问题，提出了一种材料-器件一体化制备新技术，在传感器表面原位合成具有特殊形态结构的金属氧化物，并以此提高传感器的气体敏感性能。我们通过自主设计的材料-器件一体化制备新技术——牺牲碳纳米管（CNTs）模板结合丝网印刷和微滴注的原位合成法（SPMIC法），直接在平板器件表面原位合成了类纳米线网络结构（nanowire-like network）的In2O3。所制得的具有类纳米线网络结构的In2O3器件，在300°C时，对100ppm甲醛（HCHO）的响应值高达63.5，相对于颗粒结构参照In2O3器件，提升了30多倍。通过显微结构比较分析，发现：气体敏感性能的提升主要是In2O3类纳米线网络结构的特殊多孔结构的作用，具体包括高的比表面积，疏松多孔结构有利于气体扩散与反应以及网络结构骨架使颗粒不易团聚等原因。同时，SPMIC法还具有实现定点定成分制备的潜力。我们对此也作了初步的探讨。通过SPMIC法，在平板器件表面原位制造出由四个器件构成的阵列，这四器件分别是具有类纳米网络结构的ZnO、Co3O4、In2O3和SnO2器件，即实现了定点定成分制造。所得的器件阵列上各器件也具有较好的气体敏感性能。更进一步，通过主成分分析法（PCA）研究了所得阵列的气体选择性，发现：由类纳米网络结构的ZnO、Co3O4、In2O3和SnO2器件构成的阵列能够较好的类聚和区分不同浓度的甲醛、甲苯、丙酮和氨气，即具有较好的气体选择性。这对解决金属氧化物气体传感器选择性差的难题，提供了一种可行的新思路和具有指导意义的实践实例。