以三维网络泡沫镍为载体的多孔P-N异质接触结构的制备及其气敏特性研究

Besides the materials with nanosized and low dimensions, the attempt to enhance the sensitivity of volatile organic compounds sensors via the porosity of semiconductor oxidesattractstremendous attention. But at the moment when takes use of porous materials, it is unable to make full use of the porous structure because of the needs to remove the templateand the damage of porous structurein the process of making components. The three-dimensional porous structure of nickel foam has a large specific surface area,the formative P-type nickel oxide after the surface oxidation is a good gas sensing material, the n-type gas sensing material grows on this p-type nickel oxide can not only make full use of the huge specific surface area and the structure of itself and morphology of the nickel foam to achieve sensitization effect, but also can form P-N structure, highly enhanced the sensitivity of gas. This project intends to grow N-type gas sensing materials directly on the surface oxidation layer of nickel foam represented by tin oxide, study the influence of oxidation method and condition of nickel foam on the structure and property of the oxidation layer, study the growth method of tin dioxide N-type semiconductor on the oxidation layer, explore the mechansim of the construction of PN junctions, and Further research is that in-depth study on the gas-sensing properties of P-N structure based on large specific surface area of nickel foam, optimizegrowth conditions, design a new sensor structure, develop new high sensitivity of gas sensorswith independent intellectual property rights.

除了材料的纳米化和低维化以外，通过半导体氧化物的多孔化来提高VOCs传感器灵敏度的尝试也备受瞩目。但是目前在利用多孔材料时，由于需要去除模板，并且在制作元件时会对多孔结构造成破坏，使多孔结构无法充分利用。三维多孔结构的泡沫镍具有大比表面积，其表面氧化后形成的p型氧化镍是优良的气敏材料，以其为基底生长n型气敏材料，不仅能充分利用泡沫镍巨大的比表面积和敏感材料本身的结构和形貌实现增感效果，并可以形成P-N异质结构，大幅度提高对气体的灵敏度。因此本项目拟在泡沫镍表面氧化层上直接生长以氧化锡为代表的n型传感材料，研究泡沫镍氧化方法与条件对氧化层的结构与性质的影响，研究二氧化锡等n型半导体在氧化层上的生长方法，探索构建P-N结构的机理；并进一步研究这种建立在大比表面积泡沫镍上的P-N结构的气敏性质，优化材料生长条件，设计新型传感器结构，开发具有自主知识产权的新型高灵敏度气体传感器。

三维多孔结构的泡沫镍是优秀的基底材料，在其表面形成pn结构，并通过充分利用泡沫镍巨大的比表面积和敏感材料本身的结构和形貌实现增感效果，可以大幅度提高对气体的灵敏度。因此本项目在把泡沫镍表面氧化后，直接生长以氧化锡等为代表的n型气敏材料，并利用自主研发的新型气敏测试装置对产物直接进行了气敏特性测试，进一步通过优化氧化镍层、n型层的制备方法与条件，获得了性能优良的泡沫镍基气敏材料（元件）。具体研究内容和取得的成果如下：首先，针对三维网络结构不同位置接触差异大、表面不光滑平整的问题，设计了包含气箱及内部测试台、控温及测量系统和测试主机的新型自动控温气敏测试系统，满足了三维网络结构材料（元件）的测试要求。其次，研究了热氧化法、水热-烧结法在泡沫镍上生长氧化镍敏感层的最优条件、热氧化法在泡沫铜上生长氧化铜敏感层的工艺条件，最终确定了热氧化法为生长氧化镍、氧化铜敏感层的最佳制备方法。第三，进一步研究了通过水热法、浸渍提拉法在氧化镍上生长二氧化锡敏感层、通过水热法、模板法在氧化镍上生长氧化铟敏感层、通过水热法在氧化铜上生长氧化锌敏感层的制备方法与工艺条件对产物性能的影响，优化了制备条件。我们发现，在热氧化法生长的氧化镍基底上以浸渍提拉法生长二氧化锡，可以获得性能优良的pn异质结型甲苯敏感元件，其具体参数为：检测浓度范围 0.1-600ppm；对10ppm甲苯的灵敏度 9.7；对10ppm甲苯的响应时间 10秒，恢复时间 29秒，达到计划书中的目标。除上述内容外，本项目对研究内容进行了拓展，不仅分析研究了氧化镍/二氧化锡pn结构的等效电路与敏感机理，为进一步提高其气敏特性提供了理论支撑，还对三维网络基底敏感材料的其它性质进行了一定的研究，并取得了较好的结果，为项目的延续打下了坚实的基础。. 在项目的完成过程中，共发表14篇SCI检索论文，申请国家发明专利3项，其中有2项已经获得授权。培养博士、硕士研究生6人。