介电泳原位生长一维纳米结构金属氧化物的气敏性能研究

Compared to the assembling methods of nanowire based electronic devices such as the electrical/optical or template-transfer techniques, the distinct advantages of the in-situ dielectrophoretic (DEP) fabricated nanowires lie in that the nanowire could be grown between the two electrodes and simultaneously connected intimately with the electrodes indicating excellent ohmic junction. The nanowires fabricated from the in-situ dielectrophorectic depostion method have better microstructure and mechanical properties. However, there is no report on the synthesis and gas sensing characterizations of the metal oxide nanowires fabricated by DEP method. In this project, DEP method is proposed to prepare the metal oxide nanowires in -situ between two electrodes. The metal nanowires are going to be dielectrophorectically electrodeposited from the aqueous solution followed with an oxidation process eventually forming the metal oxide nanowires. To achieve the best properties of the oxide nanowires and better ohimic contact between nanowire and electrodes,the chemical processes and reaction mechanisms for both the metal nanowire formation and followed oxidation will be systematically investigated. The gas sensing properties and sensing mechanisms of the as-fabricated semicondutor-type metal oxide nanowires based sensor will be explored in detail.

相对于采用物理场效应或者模板转移法的纳米线电子器件组装方法，介电泳原位电化学生长纳米线方法的显著优点在于可以直接在两个微电极之间将金属离子从溶液中电沉积成金属纳米线，纳米线具有良好的致密度和一定的机械性能，可以实现原位的纳米线-电极紧密键和，表现出良好的欧姆连接特性。但采用该技术制备金属氧化物纳米线及其气敏性能的研究国内外尚未见报道。本项目提出采用介电泳原位电化学生长金属氧化物纳米线的研究，将介电泳法生长的过渡金属纳米线经过后续的原位氧化生成对应的氧化物纳米线，系统研究金属和金属氧化物纳米线的生长机理，通过调控热处理和氧化气氛，解决后续氧化过程中的力学应变等问题，以获得高质量的氧化物纳米线并实现原位有效的电连接，将系统研究基于制备的氧化物纳米线的气体敏感特性并探讨其气敏机理。

介电泳原位电化学生长纳米线方法的优点显著。由于钯的化学性质较铜、银更加稳定，在空气中不易被氧化，具有良好的 气敏特性等优点，所以本项目选择钯纳米线作为研究对象。项目中结合了电化学沉积生长和在高频电场下一维定向物理组装的基本规律，通过外加高频交流电场在电极表面曲率大的突出部位会产生局部相对巨大的电场梯度，从而诱导溶液中的可还原性金属阳离子，在该处沉积成核，并使其在高频交流电场的作用下保持一维方向上的持续定向生长，直到连通电极为止。项目系统研究分析了交流电场的频率、电压峰值、溶液浓度等实验条件对纳米线生长的影响情况，实现了在不同实验条件下生长出多条不同长度、不同直径的钯纳米线。研究结果表明：浓溶液更有利于钯纳米线的生长，而稀溶液能够生长出直径较小的钯纳米线；较高的交流信号峰值及频率能够生长出品质较好的钯纳米线；电极间距过大的钯纳米线难以生长。.通过进一步研究发现，介电泳原位电化学生长纳米线方法的显著优点在于可以直接在两个微电极之间将金属离子从溶液中沉积成为金属纳米线，并且该纳米线具有线性度很好的I-V特性曲线，表现出良好的欧姆接触特性，因此钯纳米线具有良好的致密度和一定的机械性能。同时，通过气敏性测试，发现钯纳米线对氢气的气敏灵敏度非常高，在氢气浓度为2.5%-3.5%时达至29.10，并且具有较短的响应、恢复时间及良好的气敏稳定性。.同时，通过热氧化和超声的方法成功制备了氧化铜以及氧化铟包裹的CuO异质结纳米线结构，尝试了超声分散和介电泳结合的方式，实现了纳米线的电极连接，组装传感器元件，进行氢气，二氧化氮和碳氢化合物等多种气体的感应性能进行了测试分析。通过系统的分析实验结果，找到优化的敏感材料组成和微观结构。.另外，用简单地水热法制备了形貌良好的氧化钨纳米线，研究了水热反应条件对纳米线结构、形貌和比表面积的影响，然后确定最佳反应条件并以此法制备了结晶性良好，长度达几微米且直径在15-25nm之间的氧化钨纳米线（棒）。系统研究了氧化钨纳米线敏感膜在300-400°C 之间对浓度为60ppm的H2的气敏性能、温度为350°C 时处于不同气体浓度的NO2气敏性能；然后还研究了氧化钨异质结纳米线敏感膜在不同温度、不同气体浓度下对H2气敏性能，并对其敏感机理分别进行了探讨。