氧化铜基半导体气体传感器性能增强策略的文献调研开题报告

1. 研究目的与意义

半导体金属氧化物因具有独特的性能和良好的应用前景引起了研究人员的关注。半导体金属氧化物可作为敏感材料应用于气体传感器，其工作原理是利用敏感材料表面吸附目标气体后的电阻变化来检测气体。此类气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度不太敏感和电路简单等优点，广泛应用于空气质量监测、食品加工以及有毒、易燃、易爆气体的检测中^[1-2]。目前研究最广泛的半导体金属氧化物仍是sno₂和zno，二者均属于n型半导体金属氧化物；wo₃、in₂o₃、tio₂和fe₂o。等其他n型半导体金属氧化物也受到了较多关注。然而，p型半导体金属氧化物，如nio、co₃o₄、cuo、cr₂o。等受到的关注较少。以敏感材料和气体传感器为关键词(例如“cuo”和“gas sensor”用于检索cuo气体传感器)在“web of science”网页上的检索结果显示，从1998年1月1日至2018年5月22日，基于半导体金属氧化物的气体传感器文献共有13356篇，其中：n型半导体金属氧化物的有11635篇，占总数的87.11％；p型半导体金属氧化物的仅1721篇，仅占12.89％，而cuo占比最高，达37.77％。但是截至2013年7月15日，基于p型半导体金属氧化物的气体传感器文献占比仅为9.41％^[3]，近年来, 纳米材料和纳米技术的兴起极大地推动了气敏传感器技术的完善和发展。纳米材料具有多种独特的效应, 如小尺寸效应、量子隧穿效应、介电限域效应、表面效应和库仑阻塞效应等,从而呈现出许多奇异而独特的物理化学特性。根据三维空间中未被约束的自由度计算维度, 纳米材料可分为零维、一维和二维纳米材料。其中二维纳米材料由于其独特的电子结构和优异的物理化学性能,被广泛应用于隧穿二极管、光电探测器、催化、能源存储和转化、化学传感等多个领域。层状的二维纳米材料主要包括石墨烯、过渡 金属硫族化合物、层状氧化物、黑磷以及h-bn 等。由于二维纳米材料独特的单原子层结构有接近理论极值的比表面积、优异的半导体性能和丰富的表面活性位点, 其在气体传感应用中有着显著的“先天”优势。基于二维纳米材料构筑的气体传感器表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点 。目前使用最广泛的气敏材料是半导体金属氧化物，如sno₂、tio、zno、cuo等，它们在电学、化学、光学、物理学等方面都具有优良的性能，作为气敏材料使用时，在气氛环境中即气氛组成发生改变仍能保持气敏性能稳定，其在气体检测方面的研究已超过50年，商业应用也有30年^[4]。 cuo作为一种p型半导体材料，带隙宽为1.2-1.9ev^[5]，具有很好的化学稳定性和电化学活性。在气敏方面，cuo对一些还原性气体在较低的温度下即可产生较强的响应，同时还可以作为掺杂剂调节sno₂、zno等其他材料的气敏性能，性能优越，目前已获得成功的应用。本文综述了近年来国内外在cuo气敏性能方面的相关工作进展，着重介绍了纳米cuo气敏传感器的研究现状，指出了cuo传感材料应用时存在的问题，并提出了未来的发展方向。

在过渡金属氧化物中，铜的氧化物因具有重要的性质和用途而受到人们的广泛关注。氧化铜具有较窄的能带间隙1.2-1.5ev，是一种重要的 p型半导体材料，具有特殊的光学、电学及磁学性质，因其在高温超导材料、催化剂、磁存储材料、气体传感器、生物医学、太阳能电池、锂离子电池等领域的广泛应用而成为人们研究的热点^[6-11]。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单位构成的材料，它具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特性。因此，与普通氧化铜相比，纳米氧化铜在光学、电学、磁性、化学反应性等方面表现出更加优良的物理化学性质，在催化剂、传感器、磁存 储等应用方面显示出更多优势。目前，已经制备出高性能cuo纳米材料：cuo 纳米材料的制备及应用研究进展的氧化铜纳米结构有很多种，可以根据维数进行区分，例如，零维的纳米颗粒，一维的纳米线^[12]、纳米棒、纳米管，二维的纳米带^[13]，三维的纳米花^[14]、多刺微球体^[15]、纳米树突^[16]、纳米椭球体^[17]、蒲公英状中空结构^[18]等，通常用于制备氧化铜纳米材料的方法有铜片热氧化法、水热合成法、湿化学法等。

2. 研究内容和预期目标

1研究纳米氧化铜的合成方法及其合成方法对氧化铜性能的影响

2研究氧化铜不同状态下对特定气体的选择性

3研究各种形态对氧化铜气敏的影响

3. 研究的方法与步骤

1、查阅文献

2、研读所查阅的文献

4. 参考文献

[1]chatterjee s g，chatteee s，ray a k，et al． graphene-metal oxide nanohybrids for toxic gas sensor：a review[j]．sensors and actuators b：chemical，2015，221： 1170-1181．

[2]miller d r，akbar s a，morris p. nanoscale metal oxide-based heterojunctions for gas sensing：a review[j]．sensors and actuators b：chemical，2014，204：250-272．

[3]kim h j，lee j h．highly sensitive and selective gas sensors using p-type oxide semiconductors：overview [j]．sensors and actuators b：chemical，2014，192：607-627．

5. 计划与进度安排

1、2022年1月20日-2022年2月20日 查阅课题相关文献、学习软件

2、2022年2月21日-2022年2月28日 撰写开题报告

3、2022年2月6日-2022年4月1日 查阅文献并作记录