结构相变对超薄In2O3中空纳米纤维甲醛气敏特性的影响及其增敏机理研究

The structural phase transition has significant effect on sensitivity and selectivity of the sensitive material, however, the intrinsic mechanism is not very clear. On this basis, body-centered cubic structure bcc-In2O3, rhombohedral structure rh-In2O3 and mixed phase structure c/h-In2O3 ultrathin hollow nanofibers are first proposed as study subject to investigate their formaldehyde gas sensing performances. The effect of structural phase transition on electrical and chemical properties such as oxygen vacancies number and defect state density is intensively researched when the sensitive materials possess same morphologies and crystalline grain sizes. The change rule and reason of oxygen vacancies number in bcc-In2O3 and rh-In2O3 materials and their effects on gas sensing properties are investigated in depth by Rietveld method and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The intrinsic mechanism of structural phase transition on formaldehyde gas sensing properties of In2O3 is proposed. The gas sensing properties differences of mixed crystalline phase c/h-In2O3 with different proportions are studied in detail, and the key factors of affecting sensitivity enhancement are extracted. The optimization principle of formaldehyde gas sensing properties of In2O3 with different crystalline structures is established and the detection limit of the concentration can meet international standards. The project can provide a new idea and important theoretical basis for gas sensing performance improvement of polymorphic oxide semiconductors.

结构相变对敏感材料的灵敏度、选择性等性能指标有着显著影响，然而其对敏感材料性能影响的内在机制还不清楚，基于此本申请首次提出以不同晶型（体心立方结构bcc-In2O3；斜方六面结构rh-In2O3）及混合晶型（c/h-In2O3）超薄In2O3中空纳米纤维为研究对象，开展甲醛气敏性能研究。重点研究在形貌、晶粒尺寸相同的情况下结构相变对敏感材料氧空位数量及缺陷态密度等电、化学特性的影响；运用Rietveld法及X射线光电子能谱(XPS)深入研究两种单一晶型材料氧空位数量的变化规律、变化内因及其对敏感材料气敏性能的影响，揭示结构相变对In2O3甲醛气敏性能调控的内在机制；详细研究不同比例混合相In2O3气敏性能的异同点，提炼出影响In2O3灵敏度提升的关键因素。建立不同晶型In2O3甲醛气敏性能优化原则，力求提高其检测下限达到国际标准，为多晶型氧化物半导体敏感特性提升提供新思路和重要的理论依据。

基因决定着生物的基本构造和性质，存储着生命体的孕育、生长、凋亡的全部信息。而半导体的“基因”则是物理结构。对于半导体而言，物理结构决定着其物理、化学、光学、电学性质及其在上述过程中的行为。因此，研究半导体物理结构与敏感性能之间的内在联系，总结规律，理解二者之间相互作用的物理机制将不仅有助于指导材料设计、构筑高性能敏感材料，还将为气敏性能提升提供全新的思路。针对上述研究背景，本项目首次利用静电纺丝结合水热方法合成具有不同晶型比例（体心立方结构bcc-In2O3；斜方六面结构rh-In2O3）的混合晶型（c/h-In2O3）In2O3等级纳米纤维材料，深入研究了In2O3 纳米材料的生长特性、物理结构、气体敏感性能与气敏性能提升机制，具体研究内容如下：首先，通过对混合晶型In2O3 一维纳米结构形成过程研究，发现In2O3材料在PVA纤维上原位生长，在经过高温高压水热反应后，In2O3/PVA纤维膜仍然保持完好的柔韧性，为设计和研制新型柔性及可穿戴电子器件提供指导。其次，构建了不同晶型比例的一维In2O3 纳米材料，比较了材料之间选择性差异，对材料选择性变化机制进行了阐释，总结出物理结构对敏感材料气敏性能影响的关键因素。最后，通过在In2O3/PVA纤维上原位生长Co3O4, 实现了对Co3O4电子结构的调控，从而将物理结构-电子结构-气敏性能三者之间的构效关系应用到气敏元件中，获得对丙酮气体的高效探测性能，具体表现为选择性强、灵敏度高、响应恢复速度快、稳定性高。总之，本项目研究工作力求化繁为简，在催化活性、电子溢出效应、比表面积等诸多表象影响因素中抽丝剥茧，获得影响半导体敏感性能的本质要素，在不同晶型比例的In2O3 一维纳米材料的构筑、敏感性能变化与其内在的物理机制研究方面取得了具有较高学术价值的实验结果。为精确调控气敏性能提供新的思路，为拓展金属氧化物在气敏领域的应用奠定基础。