表面修饰对WO3纳米材料气敏特性的影响及其机理的研究

The gas sensors based on semiconductor have been widely used in environmental protection, health, security and counterterrorism. The higher sensitivity and selectivity, the faster response and recovery, and the lower power consumption are required for the complex application condition. Aimed to the requirement of the high performance gas sensor, we proposed a kind of gas sensor with excellent gas sensitive properties based on the composites of the WO3 modified with CuO. We tune the interface energy band gap, surface chemical states and the surface defects by adjusting the structure, morphology, size and the interface properties of the composite of WO3 nanocrystalline; investigate the correspondence between the gas sensitive properties and the micro-structures of the composite of the WO3; characterize the changes of the gas sensitive properties by tuning the work temperature and pulse voltage and to achieve the required structure for the nice integrate sensor performance. Our research results can not only reveal the function and the underlying mechanism of enhanced gas sensing performance attributed from the surface/interface modified composite, but also provide the scientific data and theory for the high performance gas sensors.

半导体气敏传感器在环保、医疗、安防、反恐等诸多领域有着广泛应用。然而复杂的应用环境，对器件的灵敏度、选择性、快速的响应-恢复特性及更低的功耗提出了更高的要求。针对高性能气敏传感器的参数要求，项目提出以WO3纳米晶为基体，构建具有高气敏特性的CuO修饰WO3复合纳米结构。通过改变复合WO3纳米晶的结构、形貌、尺寸、孔隙率，界面特性，调控其界面能带结构、表面化学态及表面缺陷态；探究WO3纳米晶复合结构的气敏性能和微观结构的关系；并探索不同工作温度和脉冲电压下气敏性能的变化，最终得到气敏综合性能良好的材料结构。项目的研究结果不仅可以揭示金属氧化物修饰纳米晶表面/界面结构对性能的作用规律及内在机理，同时也为研制高性能气敏传感器提供科学数据和理论依据。

半导体气敏传感器在环保、医疗、安防、反恐等诸多领域有着广泛应用。然而复杂的应用环境，对器件的灵敏度、选择性、快速的响应-恢复特性及更低的功耗提出了更高的要求。针对高性能气敏传感器的参数要求，项目提出以WO3纳米晶为基体，构建具有高气敏特性的CuO修饰WO3复合纳米结构。（1）本项目用水热法制备了不同摩尔比的CuO纳米颗粒修饰的WO3纳米方块，实现了低温下气敏传感器对H2S气体达105的超高灵敏度，摆脱了氧负离子的影响。（2）合成了高质量非化学计量WO3-x纳米棒(WO3、W19O55、W5O14、W18O49)，气敏测试结果证明了氧空位促进了低温氧离子吸附过程，从而提高了基于WO3-x的气体传感器的传感性能。（3）在以上两部分工作的基础上，采用不同化学摩尔比的CuO纳米颗粒修饰的WO3-x从氧空位和CuS生成两种调控方式，获得了低温及室温下对ppb级H2S气体有很好响应的气敏传感器。（4）本项目设计了一种电压脉冲的方案，解决了气敏传感器在低温下恢复慢的问题，该方法可以推广应用到整个基于金属氧化物制备的电阻型气敏传感器。（5）通过对CuO气敏特性的研究，研究氧离子吸附机理及CuS形成机理在随H2S气体浓度和工作温度之间的关系，结果表明，温度越高氧离子吸附模型越占主导地位。这个机理同样适用于CuO修饰WO3纳米材料对H2S的探测。项目的研究结果不仅可以揭示金属氧化物修饰纳米晶表面/界面结构对性能的作用规律及内在机理，同时也为研制高性能气敏传感器提供科学数据和理论依据。