第一章 绪 论
1.1 气体传感器
随着科学技术的发展，工业生产规模逐渐扩大，生产中使用或者产生的气体种类数量不断增多。液化石油气、天然气及城市煤气作为家庭用燃料被广泛使用。这些气体中有些为有毒有害及易燃易爆气体，该类气体的泄漏严重污染着环境，危害着人类的生命安全。人类对这些有毒有害气体的承受能力和感知能力是有限的。为了确保安全，防患于未然，人们研制了各种测试仪器和检测方法，以便及时准确地监测和监控环境中的各种毒害气体。气体传感器作为传感技术的一个重要分支，受到了人们的极大重视。气体传感器多种多样，分类方法也不尽相同。从检测对象气体可分为：可燃性(Flammability) 气体传感器[18-19]，例如，氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、城市煤气液化石油气等；有毒有害气体(hazardous gas) 气体传感器[20-23]，例如，一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、硫化物（SOX）、硫化氢（H2S）、氨气（NH3）等；VOCs 气体传感器，例如，检测乙醇（C2H5OH）、苯（C6H6）、丙酮（C3H6O）、乙醚（C4H10O）等有机蒸气的气体传感器。目前，许多种类的气体传感器已经实现了产业化[24-29]。日本Figaro公司[30-31]已研制出各种可以检测易燃易爆气体及有毒有害气体的传感器，并已经应用到实际中。英国SSC公司研发和生产出可以广泛应用于石油石化、冶金、电力电信等领域的固定式气体传感器检测设备，日本FIS公司研制出二氧化碳CO2、酒精C2H5OH及CH4等传感器，英国Alphasense公司开发出氧气、有毒及可燃气体传感器，德国迪特里希DITTRICH公司则研制出了许多高性能气体传感器。
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1.2 半导体敏感材料研究现状
由于比表面小、对气体的吸附量少、反应活性低，导致气体传感器的灵敏度不高，难以满足环境监测和安全防护的要求，制约了半导体气体传感器巨大的应用发展前景。为了提高半导体气体传感器的灵敏度，人们常采用增大材料表面积的方法，纳米化就是常用的一种方法。纳米化通过增大材料的表面积，使粒子表面势垒的高度与厚度以及晶粒有效电阻发生显著变化，表面活性大大增加，使材料对气体的吸附、脱附以及氧化还原反应能在更低的温度下进行，降低了工作温度，缩短了响应时间，提高了气体检测的浓度范围。纳米材料发展的历史大致可以划分为三个阶段：第一阶段(1990 年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。第二阶段(1990 年-1994 年)人们关注的热点是如何利用纳米材料己挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段(1994 年至今)纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米线、纳米管为基本单元在一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）空间进行自组装和它组装。同样，纳米科技[47-48]的快速发展为氧化物半导体型传感器的发展带来了新的契机。
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第二章 纳米片状 In2O3的合成及其气敏特性研究
2.1 纳米片状 In2O3的制备
本实验中所需各种试剂均为分析纯且使用之前未进行进一步纯化。实验过程如图 2.1 所示：第一步，将 0.381g 硝酸铟加入到 36mL 去离子水中并进行搅拌，随后将一定量油酸加入到上述溶液中继续搅拌。搅拌一定时间后，将 0.3g 尿素加入混合溶液中，继续搅拌并超声。将烧杯中混合溶液转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，并放入 120℃恒温烘箱中反应 12h。第二步，等待反应结束反应釜温度降至室温，将釜中白色沉淀取出进行离心洗涤，此过程要用蒸馏水和乙醇多次洗涤。洗涤之后将得到的白色沉淀盛入培养皿中放入 80℃真空烘箱中持续烘干 24h。第三步，将烘干后的白色样品放入马弗炉中进行烧结，烧结温度为 500℃，升温速率为 2℃/min，当温度升至 500℃后停留 2h。经过上述步骤后得到黄色样品，接下来得到的黄色样品进行表征及分析。伴随着科学技术手段的不断发展，对于纳米材料可以利用多种测试手段对其物理性质和化学性质进行表征，以得到有关该样品的组成、结构和形貌等信息，从而进一步了解材料的形成机理以及其结构和性能的关系。在本实验中，所用到的表征方法主要有以下几种：X 射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等。利用这些方法进行表征，可以确定样品的形貌、晶型、结构以及组成等信息。
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2.2 实验结果及分析
图 2.3 为白色粉末前驱物的 XRD 谱图。X 射线衍射仪型号为 Rigaku D/max-2500（Cu Kα射线，λ=1.54056，管电压为 40 kV 对应管电流为 200 mA）。广角测试的范围为 20°-70°，测试扫描速率为 12°/min。图 2.4 为前驱物烧结后所得到黄色粉末的 XRD 谱图。产物衍射峰与氧化铟标准谱图（JCPDS NO.06-416）完全吻合。观察到在衍射角为 20-70°内出现几个结晶良好的衍射峰，没有其它杂峰出现。峰值分别对应（211）（222）（400）（411）（322）（431）（440）（611）和（622）衍射晶面，是典型的立方相结构（空间群 Ia-3）特征。XRD 谱图表明合成了纯相氧化铟。由此得出结论，通过水热反应及之后烧结过程得到了纯相氢氧化铟 In(OH)3和氧化铟（In2O3）。通过 Debye-Scherer 公式 Dhkl=0.89λ（/βcosθ）计算得出，氧化铟晶粒的大小为 13 nm。其中 R 为 Scherrer 常数，λ 为 X 射线波长计算，θ 为布拉格衍射角，β 为峰的半值宽度。
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第三章 In2O3花状微球的合成及其气敏特性研究 ......37
3.1 In2O3花状微球材料制备 .......37
3.1.1 实验药品试剂 ......... 37
3.1.2 In2O3花状微球的制备流程 ......37
3.2 实验结果及分析 ......... 38
3.3 In2O3花状微球合成条件研究 .....41
3.4 花状微球氧化铟气敏性能测试........ 42
本章小结.........48
第四章 多层次类花状 In2O3的合成及其气敏特性研究.........49
4.1 多层次类花状 In2O3的制备 .......49
4.1.1 实验试剂 ..... 49
4.1.2 多层次类花状 In2O3的制备流程 ........49
4.2 实验结果及分析 ........ 49
4.3 多层次类花状 In2O3合成条件探究 .......53
4.4 多层次类花状氧化铟器件气敏性能测试.... 53
本章小结.........57
第五章 星型花状 In2O3的合成及其气敏特性研究 .....59
5.1 星型花状 In2O3纳米材料制备 .........59
5.2 实验结果及分析 ........ 59
5.3 星型花状 In2O3生长过程 .....63
5.4 星型花状 In2O3最佳烧结温度确定 .......64
5.5 星型花状氧化铟气敏性能测试........ 65
本章小结.........71
第六章 海胆状 In2O3的合成及其气敏特性研究
6.1 海胆状 In2O3微球材料制备
本实验中所需各种试剂均为分析纯且使用之前未进行进一步纯化。实验过程如下：室温下 0.35 g InCl3 4H2O 加入到 36mL 去乙醇中搅拌，加入定量十二烷基磺酸钠和尿素继续搅拌超声。搅拌完成后，将溶液迅速转移到聚四氟乙烯不锈钢反应釜中，放入 120℃的恒温烘箱中反应 12 h。反应结束后待反应釜降至室温，将釜中沉淀取出进行离心洗涤，此过程要用蒸馏水和乙醇多次交叉洗涤。白色沉淀盛入培养皿中，放入 80℃真空烘箱中烘干。将烘干后的样品放入马弗炉中进行烧结，烧结升温速率为 2℃/min。经过上述步骤后我们可以得到样品，接下来我们对得到的淡黄色样品进行表征及分析。气体传感器件为旁热式传感器，制作流程如图 2.2 所示。为进一步了解氧化铟纳米结构更多详细信息，对制备的样品进行了透射电镜，高分辨透射电子显微镜和电子衍射分析等表征。图 6.3a 和 6.3b 显示，海胆微球氧化铟一维组成单元是直径约为 15nm 的纳米棒。海胆状微球 TEM 显示海胆微球为疏松多孔结构。图 6.3c 为氧化铟纳米棒选区电子衍射（SAED）图，图片表明氧化铟为多晶结构。图 6.3d 为高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，可以看出 0.288 nm 对应于（104）晶面的晶格距离。由上述结论可以推断氧化铟是六方相分等级海胆状 In2O3微球结构。形貌及尺寸与 SEM 测试结果相一致。
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结论
本论文从实际出发，致力于研制能够对 NO2及 O3进行实时监测的气体传感器，实现了对 ppb 量级 NO2和 O3的检测。氧化铟能够在较低温度下对气体进行安全快速检测。通过改变水热/溶剂热合成条件可以得到不同微纳结构氧化铟敏感材料。具体有改变反应温度高低，调节沉淀剂加入量，添加不同表面活性剂等方法。接下来，对各种材料气敏性能进行了评价。具体工作结论如下：通过水热合成法制备出前驱物氢氧化铟，经烧结得到不规则纳米片结构氧化铟。利用旁热式传感器对所合成敏感材料的气敏性能进行评价，测试结果表明不规则纳米片对二氧化氮具有良好选择性。灵敏度随气体浓度增大而增加。150℃下，对 500 ppb NO2响应为 34。在此基础上通过改变水热条件对样品形貌进行改进，制备出大小约为 1-2 μm 的多层次分等级类花状结构氧化铟。对该敏感材料的气敏性能进行了表征，测试结果指出在 125℃下其对二氧化氮具有优异的气敏特性。检测浓度为 50 ppb 时，响应值为 19.4。多层次分等级类花状氧化铟是由表面粗糙且有孔隙的纳米片所组成。与纳米片相比，多层次花状氧化铟分等级结构能够成为气体吸附反应的载体，为气体吸附提供更多的立体空间，减少了电子迁移的阻力，能够有效地改善材料的气敏性能。#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
