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氧化钨纳米线-单壁碳纳米管复合型气敏元件的室温NO2敏感性能与机理

秦玉香 王飞 沈万江 胡明

氧化钨纳米线-单壁碳纳米管复合型气敏元件的室温NO2敏感性能与机理

秦玉香, 王飞, 沈万江, 胡明
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  • 利用溶剂热法合成了一维的氧化钨纳米线, 通过掺入适量单壁碳纳米管(SWNT)制备了基于氧化钨纳米线-SWNT 复合结构的室温气敏元件并评价了其对NO2气体的室温敏感性能. 利用X射线与扫描电子显微镜表征了材料的微结构, 结果表明, 合成的氧化钨纳米线具有单斜的W18O49结构, 复合材料中SWNT被包埋在氧化钨纳米线中间. 气敏性能测试结果表明, 氧化钨纳米线-SWNT复合结构气敏元件在室温下对NO2气体表现出了高的灵敏度和超快的响应特性; 较低的SWNT掺入量对获得好的气敏性能有利. 分析了基于复合结构材料气敏元件的可能的气敏机理, 认为元件良好的室温敏感性能与SWNT掺入在复合结构材料中引入大量的贯穿气孔和p-n异质结有关.
    • 基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 60801018)、天津市自然科学基金(批准号: 09JCYBJC01100)和 教育部博士点新教师基金(批准号: 200800561109)资助的课题.
    [1]

    Chaudhari G N, Bende A M, Bodade A B, Patil S S, Sapkal V S2006 Sens. Actuators B 115 297

    [2]

    Liu R L, Xiang Q, Pan Q Y, Cheng Z X, Shi L Y 2006 J. Inorg.Mater. 21 793 (in Chinese) [刘荣利, 向群, 潘庆谊, 程知萱, 施利毅 2006 无机材料学报 21 793]

    [3]

    Timmer B, Olthuis W, Berg A 2005 Sens. Actuators B 107 666

    [4]

    Korotcenkov G, Blinov I, Ivanov M, Stetter J R 2007 Sens. ActuatorsB 120 679

    [5]

    Akiyama M, Tamaki J, Miura N, Yamanoe N 1991 Chem. Lett. 201611

    [6]

    Akiyama M, Zhang Z, Tamaki J, Miura N, Yamanoe N 1993 Sens.Actuators B 14 619

    [7]

    Ponzoni A, Comini E, Sberveglieri G, Zhou J, Deng S Z, Xu N S,Ding Y, Wang Z L 2006 Appl. Phys. Lett. 88 203101

    [8]

    Rout C S, Hegde M, Rao C N R 2008 Sens. Actuators B 128 488

    [9]

    Gerlitz R A, Benkstein K D, Lahr D L, Hertz J L, Montgomery CB, Bonevich J E, Semancik S, Tarlov M J 2009 Sens. Actuators B136 257

    [10]

    Xia H, Wang Y, Kong F, Wang S, Zhu B, Guo X, Zhang J, WangY, Wu S 2008 Sens. Actuators B 134 133

    [11]

    Imawan C, Solzbacher F, Steffes H, Obermeier E 2000 Sens.Actuators B 64 193

    [12]

    Qi P F, Vermesh O, Grecu M, Javey A, Wang O, Dai H J, Peng S,Cho K J 2003 Nano Lett. 3 347

    [13]

    Liang J W, Hu H F, Wei J W, Peng P 2005 Acta Phys. Sin. 542877 (in Chinese) [梁君武, 胡慧芳, 韦建卫, 彭平 2006 物理学报 54 2877]

    [14]

    Qin Y, Hu M, Zhang J 2010 Sens. Actuators B 150 339

    [15]

    Bittencourt C, Felten A, Espinosa E H, Ionescu R, Llobet E, CorreigX, Pireaux J J 2006 Sens. Actuators B 115 33

    [16]

    Liu Z, Yamazaki T, Shen Y, Kikuta T, Nakatani N 2007 Sens.Actuators B 128 173

    [17]

    Duy N V, Hieu N V, Huy P T, Chien N D, Thamilselvan M, Yi J2008 Physica E 41 258

    [18]

    Zhou X H, Cao Q X, Huang H, Yang P, Hu Y 2003 Mater. Sci.Eng. B 99 44

    [19]

    Franke M E, Koplin T J, Simon U 2006 Small 2 36

    [20]

    Rothschild A, Komem Y 2004 J. Appl. Phys. 95 6374

    [21]

    Liu Y L, Yang H F, Yang Y, Liu Z M, Shen G L, Yu R Q 2006Thin Solid Films 497 355

    [22]

    Safonova O V, Delabouglise G, Chenevier B, Gaskov A M,Labeau M 2002 Mater. Sci. Eng. C 21 105

    [23]

    Sayago I, Gutiérrez J, Arés L, Robla J I, Horrillo M C, Getino J,Agapito J A 1995 Sens. Actuators B 25 512

  • [1]

    Chaudhari G N, Bende A M, Bodade A B, Patil S S, Sapkal V S2006 Sens. Actuators B 115 297

    [2]

    Liu R L, Xiang Q, Pan Q Y, Cheng Z X, Shi L Y 2006 J. Inorg.Mater. 21 793 (in Chinese) [刘荣利, 向群, 潘庆谊, 程知萱, 施利毅 2006 无机材料学报 21 793]

    [3]

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    [4]

    Korotcenkov G, Blinov I, Ivanov M, Stetter J R 2007 Sens. ActuatorsB 120 679

    [5]

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    [6]

    Akiyama M, Zhang Z, Tamaki J, Miura N, Yamanoe N 1993 Sens.Actuators B 14 619

    [7]

    Ponzoni A, Comini E, Sberveglieri G, Zhou J, Deng S Z, Xu N S,Ding Y, Wang Z L 2006 Appl. Phys. Lett. 88 203101

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    Gerlitz R A, Benkstein K D, Lahr D L, Hertz J L, Montgomery CB, Bonevich J E, Semancik S, Tarlov M J 2009 Sens. Actuators B136 257

    [10]

    Xia H, Wang Y, Kong F, Wang S, Zhu B, Guo X, Zhang J, WangY, Wu S 2008 Sens. Actuators B 134 133

    [11]

    Imawan C, Solzbacher F, Steffes H, Obermeier E 2000 Sens.Actuators B 64 193

    [12]

    Qi P F, Vermesh O, Grecu M, Javey A, Wang O, Dai H J, Peng S,Cho K J 2003 Nano Lett. 3 347

    [13]

    Liang J W, Hu H F, Wei J W, Peng P 2005 Acta Phys. Sin. 542877 (in Chinese) [梁君武, 胡慧芳, 韦建卫, 彭平 2006 物理学报 54 2877]

    [14]

    Qin Y, Hu M, Zhang J 2010 Sens. Actuators B 150 339

    [15]

    Bittencourt C, Felten A, Espinosa E H, Ionescu R, Llobet E, CorreigX, Pireaux J J 2006 Sens. Actuators B 115 33

    [16]

    Liu Z, Yamazaki T, Shen Y, Kikuta T, Nakatani N 2007 Sens.Actuators B 128 173

    [17]

    Duy N V, Hieu N V, Huy P T, Chien N D, Thamilselvan M, Yi J2008 Physica E 41 258

    [18]

    Zhou X H, Cao Q X, Huang H, Yang P, Hu Y 2003 Mater. Sci.Eng. B 99 44

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    Rothschild A, Komem Y 2004 J. Appl. Phys. 95 6374

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    Safonova O V, Delabouglise G, Chenevier B, Gaskov A M,Labeau M 2002 Mater. Sci. Eng. C 21 105

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    Sayago I, Gutiérrez J, Arés L, Robla J I, Horrillo M C, Getino J,Agapito J A 1995 Sens. Actuators B 25 512

  • [1] 秦玉香, 刘凯轩, 刘长雨, 孙学斌. 钒掺杂W18O49纳米线的室温p型电导与NO2敏感性能. 物理学报, 2013, 62(20): 208104. doi: 10.7498/aps.62.208104
    [2] 孙小亮, 陈长虹, 孟德佳, 冯士高, 于洪浩. 复合金属光栅模式分离与高性能气体传感器应用. 物理学报, 2015, 64(14): 147302. doi: 10.7498/aps.64.147302
    [3] 艾雯, 胡小会, 潘林, 陈长春, 王一峰, 沈晓冬. 二维材料WTe2用于气体传感器的性能研究. 物理学报, 2019, 68(19): 197101. doi: 10.7498/aps.68.20190642
    [4] 张建东, 杨春, 陈元涛, 张变霞, 邵文英. 金原子掺杂的碳纳米管吸附CO气体的密度泛函理论研究. 物理学报, 2011, 60(10): 106102. doi: 10.7498/aps.60.106102
    [5] 王玉宝, 齐晓辉, 沈阳, 姚繄蕾, 徐志敬, 潘玉寨. 超长腔碳纳米管锁模多波长掺镱光纤激光器. 物理学报, 2015, 64(20): 204205. doi: 10.7498/aps.64.204205
    [6] 廖庆亮, 黄运华, 齐俊杰, 高战军, 张 跃, 夏连胜, 张 篁. 碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5335-5340. doi: 10.7498/aps.56.5335
    [7] 秦玉香, 胡 明. 钛碳化物改性碳纳米管的场发射性能. 物理学报, 2008, 57(6): 3698-3702. doi: 10.7498/aps.57.3698
    [8] 张丽娟, 胡慧芳, 王志勇, 魏燕, 贾金凤. 硼掺杂单壁碳纳米管吸附甲醛的电子结构和光学性能研究. 物理学报, 2010, 59(1): 527-531. doi: 10.7498/aps.59.527
    [9] 封 伟, 冯奕钰, 吴子刚, 张振中, 易文辉. 聚苯胺/碳纳米管复合体的制备及其三阶非线性光学性能研究. 物理学报, 2006, 55(7): 3772-3777. doi: 10.7498/aps.55.3772
    [10] 辛 浩, 韩 强, 姚小虎. 单、双原子空位缺陷对扶手椅型单层碳纳米管屈曲性能的不同影响. 物理学报, 2008, 57(7): 4391-4396. doi: 10.7498/aps.57.4391
    [11] 杨剑群, 李兴冀, 马国亮, 刘超铭, 邹梦楠. 170keV质子辐照对多壁碳纳米管薄膜微观结构与导电性能的影响. 物理学报, 2015, 64(13): 136401. doi: 10.7498/aps.64.136401
    [12] 张晓星, 孟凡生, 唐炬, 杨冰. 羟基碳纳米管吸附SF6放电分解组分的DFT计算. 物理学报, 2012, 61(15): 156101. doi: 10.7498/aps.61.156101
    [13] 孙劲鹏;, 王太宏. 一种基于碳纳米管的随机存储器. 物理学报, 2002, 51(9): 2096-2100. doi: 10.7498/aps.51.2096
    [14] 华绍春, 王汉功, 汪刘应, 刘顾, 赵瑞星, 姚建勋. 微弧等离子喷涂碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合涂层的吸波性能研究. 物理学报, 2009, 58(9): 6534-6541. doi: 10.7498/aps.58.6534
    [15] 严诚, 王六定, 杨敏, 刘光清, 王益军. 分层掺B和吸附H2O碳纳米管的结构稳定性及电子场发射性能. 物理学报, 2010, 59(7): 4950-4954. doi: 10.7498/aps.59.4950
    [16] 屈俊荣, 郑建邦, 王春锋, 吴广荣, 王雪艳. 碳纳米管掺杂对聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)对苯乙炔-PbSe量子点复合材料性能的影响. 物理学报, 2013, 62(12): 128801. doi: 10.7498/aps.62.128801
    [17] 李 强, 梁二军. 碳、碳氮和硼碳氮纳米管场发射性能的比较研究. 物理学报, 2005, 54(12): 5931-5936. doi: 10.7498/aps.54.5931
    [18] 柏 鑫, 王鸣生, 刘 洋, 张耿民, 张兆祥, 赵兴钰, 郭等柱, 薛增泉. 碳纳米管端口的场蒸发. 物理学报, 2008, 57(7): 4596-4601. doi: 10.7498/aps.57.4596
    [19] 张助华, 郭万林, 郭宇锋. 轴向磁场对碳纳米管电子性质的影响. 物理学报, 2006, 55(12): 6526-6531. doi: 10.7498/aps.55.6526
    [20] 易双萍, 王 慧, 欧阳玉, 彭景翠. 碳纳米管的稳定性研究. 物理学报, 2008, 57(1): 615-620. doi: 10.7498/aps.57.615
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出版历程
  • 收稿日期:  2010-10-11
  • 修回日期:  2011-07-07
  • 刊出日期:  2012-03-05

氧化钨纳米线-单壁碳纳米管复合型气敏元件的室温NO2敏感性能与机理

  • 1. 天津大学电子信息工程学院, 天津 300072
    基金项目: 

    国家自然科学基金 (批准号: 60801018)、天津市自然科学基金(批准号: 09JCYBJC01100)和 教育部博士点新教师基金(批准号: 200800561109)资助的课题.

摘要: 利用溶剂热法合成了一维的氧化钨纳米线, 通过掺入适量单壁碳纳米管(SWNT)制备了基于氧化钨纳米线-SWNT 复合结构的室温气敏元件并评价了其对NO2气体的室温敏感性能. 利用X射线与扫描电子显微镜表征了材料的微结构, 结果表明, 合成的氧化钨纳米线具有单斜的W18O49结构, 复合材料中SWNT被包埋在氧化钨纳米线中间. 气敏性能测试结果表明, 氧化钨纳米线-SWNT复合结构气敏元件在室温下对NO2气体表现出了高的灵敏度和超快的响应特性; 较低的SWNT掺入量对获得好的气敏性能有利. 分析了基于复合结构材料气敏元件的可能的气敏机理, 认为元件良好的室温敏感性能与SWNT掺入在复合结构材料中引入大量的贯穿气孔和p-n异质结有关.

English Abstract

参考文献 (23)

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