文档介绍：重庆大学
博士学位论文
TiO<,2>半导体薄膜的制备与气敏传感性质研究
姓名:冯庆
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:王新强
20090531
ü陨竞辖鸢械姆从ι淦到ι渲票赋鯳/薄膜,运用原子力显微摘要环境保护是人类面临的共同问题,运用气敏传感器制作而成的气体检测与监控警报系统为环境保护提供了一种有效的监控手段。金属氧化物半导体作为制作气敏传感器的新型材料而备受关注。是一种具有良好物理化学性质的徒属氧化物半导体,近年来,材料与纳米科技和微电子技术相结合发展起来的固体薄膜型气敏传感器适应了低能耗与微型化的发展要求,并不断运用许多办法来实现对其微观结构和电学特性的优化,从而达到对环境更有效的监控。本文通过不同的实验方法制备传感器薄膜并对其在气体环境中的气敏特性进行了系统的实验研究,运用缺陷化学的原理定性的分析薄膜表面性质、表面反应过程以及气体分压与薄膜表面电导率的关系。同时,还利用基于密度泛函理论的第一性原理方法定量的对的缺陷、掺杂以及吸附情况下的薄膜传感性质进行研究,主要内容如下:镜和伏特安培计研究其结构特性与气敏传感特性,发现在娴耐嘶鹞露认拢琻与呐ǘ缺任猅篧ィナ保∧ぞ哂凶钚〉牡缱柘凳T谕嘶鹞露任媸保迪至吮∧さ腜型掺杂。该方法制备的薄膜实现了对低浓度隨气体的探测,并具有高灵敏度与低响应时间和恢复时间,甚至可以实现对浓度的宓奶讲猓谄滴财觳夥矫婢哂泻苤匾5挠τ眉壑怠8檬笛檠究是本论文的创新点之一。芙庖阴1;言诖考状既芤豪铮ü砘确纸夥ㄖ票噶搜趺薄膜,并利用扫描电镜分析薄膜晶体的微观结构。实验发现,钌,铑,铱粼拥腡∧ざ匝跗苊舾小4縏∧ぴ℃的操作温度下对呐ǘ鹊难跗哂腥醮ǜ行裕呋磷⑷牒螅∧ざ匝跗具有更高的灵敏度与更低的操作温度℃ü擞没鹧媾缥砀呶路纸夥ㄖ票傅拇縏虲粼拥腡帕并沉积成薄膜,测试在媸倍訡途凭宓钠籼匦裕⑼ü干涞缇涤湎哐苌溲芯糠勰┑奈⒐厶匦浴2馐越峁⑾諲牟羧胱璋嗽诟呶孪耇从锐钛矿向金红石的转变。掺杂物改善了薄膜对的传感灵敏度,但是只有的掺入能够改善薄膜对酒精气体的传感能力。该实验研究是本论文的创新点之二。ü芙海汉托糠ㄖ票噶薚甂单层和多层薄膜,并在不同的温度下退火一小时,通过扫描电镜和湎哐苌溲芯勘∧さ男蚊蔡匦裕⑾直∧具有纳米尺度并具有多孔特性。对薄膜的湿敏传感特性测试表明,在相对湿度变中文摘要
化为%一%,退火温度为媸保琓疜复合薄膜具有高灵敏度的湿敏传感特性。相比单层薄膜,双层薄膜的电导变化范围更大,其原因在于依双层薄膜比表面积更大,薄膜表面对水的电解能力更强。ü缱邮舴⒌陌旆ㄖ票噶薚甒复合传感器薄膜并进行退火处理,该薄膜型传感器对丙酮和逵薪锨康拿舾行裕缱璞浠蚀螅ぷ魑露鹊停并且气体响应与复合浓度和操作温度有密切的关系。另外,该薄膜对于酒精气体只有在孀笥遥春吓ǘ冉系褪辈庞薪细叩牧槊舳取J笛楸砻鳎∧さ母春吓度和工作温度对传感特性有很大影响。訲谋砻嫘灾屎捅砻娣从碳霸又识訲ǜ刑匦缘挠跋旖辛定性分析,研究对氢气、氧气和水的吸附过程,并通过甐符号和点缺陷理论来讨论金属氧化物的气敏机理,总结出了电导率随氧分压变化的一般规律,在此基础上总结出在接近大气氧分压条件下的电导率与氧分压的一次方成正比,而在较低氧分压环境下,电导率与氧分压的一次方成正比。擞没诿芏确汉砺的第一性原理方法来计算金红石和锐钛矿缺陷引起的晶体能带结构、键能键长、电荷布居数及态密度变化。研究发现,氧空位缺陷使晶体的费米能量升高,在导带底产生杂质能级。钛空位缺陷使晶体的费米能量降低,在价带顶部产生了一个杂质能级,该能级与费米能级相差分别约鸷焓和锐钛矿6訲毕莸睦砺垩芯渴潜韭畚牡拇葱碌阒诙訬、虲替代硬粼尤耦芽笙郥宓牡缱咏峁菇辛搜究,发现这三种掺杂均会在不同程度上使锐钛矿相晶体的费米能级向上移动从而导致体系的带隙变小,有利于提高电导率,提高材料的传感特性。而掺杂金红石后能带结构中出现了一条杂质能级,,但带隙宽度没有明显减小,电子的非局域化性质更加明显。谋砻嬖雍偷缱拥慕峁挂餐ü鼶进行了研究。研究发现,金红石型砻娴脑咏峁狗⑸顺谠ズ椭毓梗⑺孀旁硬愕增加相应的弛豫距离减小。金红石型砻娼矶冉档停哂凶冀鹗粜浴砻娴腍蚅斓婪直鹗怯蒚拥腜轨道和轨道构成,其表面活性位为针。.运用第一性原理方法模拟金红石砻娑訦肿拥奈剑⑾治附后瓾键变长,ü带结构和态密度分析发现,表面禁带宽度明显减小,电导增大,形成杂化轨道,并在价带内形成一个类带,晶体表面电子局域化运动明显,从而证明了表面化学反应使电导率变化。通过对气体在晶体表面吸附过程的理论研究来揭示传感效应的本质是该论文的创新点之四。关键词:气敏传感器,湿敏传感器,薄膜,第一性原理重庆大学博宦畚鸷焓蚑金红石型Ⅱ
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