碳纳米管气敏传感器

四、碳纳米管气敏传感器的存在问题及发展方向
由于碳纳米管具有良好的导电性能、力学性能、高的比表面积、高的灵敏 度、较低的工作温度等的优良性能，使其在工业、医学、水资源、环保等领域都 有着广泛的应用前景，但单壁纳米管的价格仍然较高；而且至今,仍不能合成并 且也很难分离得到单一结构的单壁碳纳米管;碳纳米管管径小,表面能高,容易发 生团聚,影响其在聚合物等复合物中的均匀分散；碳纳米管基气体传感器恢复较 慢；气敏性能易受环境气氛的影响,还不能同时满足灵敏度高、选择性好、响应 恢复快和工作温度低的条件。面对这些问题，为了能够使碳纳米管气敏传感器得 到更好地发展，降低生产成本，制备或者分离具有特定结构的单壁碳纳米管，解 决分散以及与基体材料的相容性问题，开发碳纳米管进行表面修饰或复合的灵活 方法，缩短碳纳米管气敏传感器的恢复时间，进一步改进和优化碳纳米管基气体 传感器的制作技术和工艺条件，将成为碳纳米管气敏传感器的发展方向
室温下纳米管气敏传感器对气体的浓度响应
三、研究分子气体对碳纳米管能带结构的影响
1 简单认识一下能带结构图
2 研究方法 2.1 研究浓度不同的气体对碳纳米管费米能级附近的禁带宽度的影响
2.2 研究同一浓度不同气体对碳纳米管费米能级附近的禁带宽度的影响
2.3 验证氧化性气体和还原性气体吸附于碳纳米管而对其禁带宽度的影响 和对其电导的影响是否一致
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气敏传感器检测气体示意图
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原理：碳纳米管具有较高的比表面积且其表面有许多悬挂键，因此，碳 纳米管气敏传感器可以很好地吸附气体分子。通常本征碳纳米管气敏传感器 为P型的，其多数载流子为空穴，当碳纳米管吸附氧化性气体时，氧化性气体 分子与碳纳米管表层的C原子发生接触后，强烈的吸电子效应迅速使碳管表面 的电子云偏向氧化性分子，宏观上发生从碳纳米管到氧化性气体的电荷转移， 电子的流失增加了碳纳米管空穴载流子的浓度，降低了碳纳米管费米能级附 近的禁带宽度，从而使 碳纳米管的电导率上升；而对于还原性气体被碳纳米 管吸附后，还原性气体上的孤对电子作为给体向碳纳米管转移，占据了碳纳 米管的空穴载流子，导致载流子浓度下降，使碳纳米管费米能级附近禁带宽 度变宽，从而导致碳纳米管的的电导率下降。用万用表测量电阻，使电路仪 与电脑连接，通过软件 BenchlLink-- DataLogger实时采集电阻数据，从而 可以绘制出传感器的碳纳米管吸附气体分子“电阻相对变化率—气体浓度对 数”图，找出碳纳米管气敏传感器与气体分子浓度之间的关系，从而可以达 到检测某种气体浓度的目的
二、具体研究方法
设传感器的电阻相对变化率为S，则
以浓度的对数为横坐标，以S为纵坐标，得到传感器的电阻相对变化率与气体浓 度对数之间的图像如下
从图上可知电阻相对变化源自文库和气体
浓
以
浓度存在一一对应的关系，从而可
以求出某一被测气体的浓度
2 纳米管气敏传感器对多种气体的 图电流-电压（I-V）特征曲线 室温下纳米管气敏传感器对NO2的电导响应
一、基于碳纳米管气敏传感器简介 1、传统的气敏传感器 目前、金属氧化物半导体传感器和固态电解质传感器占据着气体传感器的绝 大部分市场，但二者都需要在较高温度下工作，消耗功率大、灵敏度低、抗干扰 能力较差，使用不便 2、本征碳纳米管气敏传感器的原理
多壁碳纳米管气敏传感器的结构
气体分子吸附于碳纳米管上
接入
3、本征碳纳米管气敏传感器的缺陷及改进方法 3.1 缺陷 本征碳纳米管的电学性质对电子转移以及掺杂效应十分敏感，其在少数已知 气体的探测上展现出了一些优势，但是还存在需要解决的问题： （1）本征碳纳米管无法检测一些对人类生活和发展影响较大的气体，如CO2、CO、 氰化物等 （2）本征碳纳米管只有在某些特定浓度下体现出较高的灵敏度，且不同气体特 定浓度不同，这阻碍了本征碳纳米管制作成为完善的气体传感器，同时整体检测 灵敏度也有待提高 （3）恢复时间较长，由于恢复时间的长短与本征碳纳米管和气体之间的结合能、 转移电子的数量有关，所以不同的气体吸附后的恢复时间长短不同，但在不借助 其他方法（高温、紫外线照射）的情况下都达到数小时，甚至十几小时 （4）选择性较差
3.2 改进方法 （1）无机金属及金属氧化物掺杂（改进气敏性，可以在高温等环境下工作） （2）非金属元素掺杂（扩大传感器探测范围，可测HCN和CNCl） （3）氧化处理（改进碳纳米管的电子分布，甚至可以将传感器从半导体型转变 成金属型）
（4）有机物及生物大分子覆盖（可以给予碳纳米管更高的灵敏度和选择性，同 时能够改变碳纳米管的电子排布，达到增强碳纳米管对气体的吸附能力） （5）力学形变（可以在不添加其他物质的情况下改变碳纳米管的电学性质，从 而影响其化学特性和导电特性）