碳納米管電離式氣體傳感器的基礎(chǔ)研究.pdf

1、碳納米管具有優(yōu)良的氣體吸附性能及電學(xué)性能，在氣體傳感領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。目前國內(nèi)外對碳納米管氣體傳感器的研究主要集中在晶體管型、電導(dǎo)型以及電容型，這些傳感器主要是利用碳納米管吸附氣體后電學(xué)性能的變化來檢測氣體的，但是其應(yīng)用受到諸如低吸附性氣體檢測困難、化學(xué)吸附具有不可逆性、受檢測環(huán)境影響等因素的限制。而電離式氣體傳感器不受上述因素限制，尤其是利用碳納米管尖端納米尺度的曲率半徑，在較低的電壓下使氣體發(fā)生電離，可以得到高性能電離式氣體傳

2、感器。但目前對碳納米管電離式氣體傳感器的研究還處于探索階段，有些基礎(chǔ)問題尚需研究。 本文首先從碳納米管的制備開始，在理論分析的基礎(chǔ)上，研究氦氣保護(hù)氣壓、生長促進(jìn)劑FeS及不同生長位置等因素對電弧放電方法得到的碳納米管的影響，確定了SWNTs制備的最佳工藝；然后采用水汽氧化法對制備的單壁碳納米管進(jìn)行提純，并用旋涂法制備碳納米管薄膜，對其導(dǎo)電性能進(jìn)行研究；利用單壁碳納米管薄膜為電極，研究了多種氣體的氣體放電性能，并同陣列式多壁碳納米

3、管薄膜的氣體放電性能進(jìn)行比較；最后研究制備35μm電極間距的電離式單壁碳納米管氣體傳感器的原理性器件，測試其基本性能。主要研究結(jié)果如下： 經(jīng)過對不同工藝制備的碳納米管樣品進(jìn)行分析和表征，發(fā)現(xiàn)氦氣保護(hù)氣壓、生長促進(jìn)劑FeS和采樣位置對電弧放電法制備碳納米管的純度和直徑有影響。同一大氣壓下，網(wǎng)狀產(chǎn)物中SWNTs含量最高。較高的氦氣氣壓有利于SWNTs的生長，其原因是由于高氣壓時冷卻速率高，有利于碳納米管生長。FeS高溫分解后的氣態(tài)硫

4、使催化劑顆粒表面的液相區(qū)在一個更大的溫度范圍和空間內(nèi)存在，有利于碳納米管的生長，硫作為交聯(lián)劑也可以提高SWNTs產(chǎn)率；硫能使大尺寸的形核基穩(wěn)定存在從而生長出直徑較大的SWNTs。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果確定了最佳工藝。使用水蒸汽在高溫800℃下對原始樣品處理12小時后酸洗，可以獲得純度達(dá)93％的SWNTs，表明水蒸汽氧化處理能選擇性地去除原始樣品中的雜質(zhì)，且對單壁碳納米管的破壞較小。利用旋涂法在電極上制備出無序碳納米管薄膜；薄膜導(dǎo)電性較好

5、，適合作為氣體電離傳感器的放電電極；還發(fā)現(xiàn)其電流一電壓關(guān)系為非線性，在同一測量電壓下，薄膜的電流與膜厚成直線關(guān)系。 對旋涂法得到的單壁碳納米管薄膜的氣體放電特性及其影響因素進(jìn)行了研究。在電極間距為150μm時，待測氣體能夠在較低的電壓下(100～307V)電離，不同的氣體電離閥值電壓各不相同，據(jù)此可以對氣體進(jìn)行檢測。其機(jī)理是部分碳納米管尖端伸出薄膜表面和負(fù)極構(gòu)成了一種典型的point-to-plane電暈放電電極結(jié)構(gòu)，單壁碳納米

6、管納米尺度的曲率半徑導(dǎo)致在較低的外加電壓下就會在其尖端附近形成高強(qiáng)度非均勻電場，使氣體發(fā)生電暈放電。氣體壓力對氣體電離的閾值電壓影響不大，放電電流與單位體積氣體分子摩爾數(shù)的對數(shù)成正比。氣體的電離閾值電壓隨電極間距的減小而降低。碳納米管的直徑越小，閾值電壓越小。與化學(xué)氣相沉積方法得到的直立式多壁碳納米管相比較，旋涂法單壁碳納米管薄膜電極的氣體電離閾值電壓要低30V左右，等離子處理對改善直立式多壁碳納米管的氣體放電性能有幫助。 利用