【摘要】：p型金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)具有豐富的結(jié)構(gòu)多樣性、優(yōu)異的表面物理化學(xué)特性及對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)具有良好的光催化性能等,可以作為n型MOS氣體敏感材料的強(qiáng)有力補(bǔ)充,具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。然而,p型MOS氣體傳感器固有的低響應(yīng)靈敏度限制了其應(yīng)用。本文采用真空退火、ArH2等離子體處理及異質(zhì)摻雜等方法對(duì)p型MOS的表面缺陷進(jìn)行調(diào)控,重點(diǎn)研究了氧缺陷對(duì)p型MOS氣敏性能的影響,具體的研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.采用真空退火的方法提升p-CuCrO2氣體傳感器對(duì)VOCs的響應(yīng)靈敏度。研究了兩種不同粒徑的銅鐵礦型CuCrO2(CCO)納米顆粒的VOCs響應(yīng)特性。氣敏測(cè)試結(jié)果表明,單電離氧空位(Vo)缺陷而非粒徑在增強(qiáng)VOCs分子/CCO界面電荷交換方面起著重要作用。為進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)觀點(diǎn),通過(guò)真空退火引入更多的Vo·缺陷,隨著Vo·濃度的增加,靈敏度也隨之增大。這種增敏機(jī)理可以從兩個(gè)方面來(lái)解釋:一是Vo·的增加使傳感器的空穴濃度降低,增大了基線電阻,二是Vo·中的未配對(duì)電子為環(huán)境中氧分子和VOCs分子的化學(xué)吸附提供了更多的活性位點(diǎn)。此外,這種敏感的(富Vo·缺陷)CCO傳感器在中等工作溫度(325℃)下表現(xiàn)出良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。通過(guò)真空退火的缺陷調(diào)控方法誘導(dǎo)產(chǎn)生的Vo·缺陷,可有效地提高p型三元氧化物傳感器的VOCs響應(yīng)性能,為設(shè)計(jì)高性能p型MOS氣體傳感器做了有益嘗試。但由于真空處理在調(diào)控表面Vo·的同時(shí),也不可避免的引入體Vo·,而體Vo·不利于載流子的快速傳輸,進(jìn)而限制p型傳感器的氣敏性能進(jìn)一步提升,下一部分工作提出了一種簡(jiǎn)便的表面氧空位缺陷調(diào)控方法。2.采用ArH2等離子體處理技術(shù)調(diào)控p-CuAlO2氣體傳感器的氣敏性能。與其它缺陷工程方法相比,ArH2等離子體處理技術(shù)可以精確地產(chǎn)生表面Vo缺陷而不影響其體性能,這對(duì)于充分發(fā)掘氣體與MOS氣體傳感器界面電荷交換的潛力至關(guān)重要。研究表明,等離子體處理30min后,傳感器對(duì)丙酮、乙醇等VOCs的響應(yīng)顯著增強(qiáng)。系統(tǒng)的缺陷表征表明,AH2等離子體處理后傳感器表面的Vo缺陷顯著增加,即響應(yīng)靈敏度與Vo缺陷的濃度呈正相關(guān)關(guān)系。這與Vo缺陷作為VOCs分子吸附和氧化還原反應(yīng)的活性中心的最新研究進(jìn)展相一致。但由于Ar＆H2等離子體處理誘導(dǎo)產(chǎn)生的Vo缺陷在高溫空氣氛圍下測(cè)試時(shí)會(huì)不斷被消耗,以致p-CuAlO2傳感器穩(wěn)定性較差。下一部分開(kāi)展了異質(zhì)摻雜調(diào)控Vo缺陷及其穩(wěn)定性研究的工作。3.采用Sc摻雜增強(qiáng)p-NiO氣體傳感器對(duì)VOCs分子的氣敏性能(靈敏度和穩(wěn)定性)。摻雜量為7.4at.%時(shí),傳感器對(duì)100ppm丙酮的響應(yīng)靈敏度從8.2(未摻雜NO)提高到109.4,檢出限達(dá)到10ppb。系統(tǒng)的缺陷表征表明,Vo缺陷對(duì)p-NiO傳感器的VOCs響應(yīng)有顯著的促進(jìn)作用,而非常認(rèn)為的Ni3+。異質(zhì)摻雜劑Sc可以改變NiO表面的配位性質(zhì),有利于在其表面形成大量穩(wěn)定的Vo缺陷,為VOCs分子的吸附和隨后的表面氧化還原反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)。4.通過(guò)改變退火溫度對(duì)p-CuScO2的電阻進(jìn)行了近8個(gè)數(shù)量級(jí)的調(diào)控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在室溫下研究表面吸附水對(duì)p-CuScO2的氨氣響應(yīng)極性的影響。實(shí)驗(yàn)利用了具有獨(dú)特氧間隙摻雜能力的銅鐵礦CuScO2,在不改變形貌結(jié)構(gòu)的條件下通過(guò)空氣退火的方式對(duì)其電阻進(jìn)行了近8個(gè)數(shù)量級(jí)的調(diào)制。研究結(jié)果表明,在室溫潮濕空氣中CuScO2對(duì)氨氣分子呈n型響應(yīng)特性,而在干燥空氣中對(duì)氨氣和其他揮發(fā)性有機(jī)化合物顯示出正常的p型響應(yīng)特性,表明水的存在對(duì)室溫傳感器的“響應(yīng)極性”起著重要作用。這種傳感機(jī)制為設(shè)計(jì)在潮濕環(huán)境中工作的高靈敏度室溫傳感器提供有價(jià)值的指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN304;TP212
【圖文】：

氧化物半導(dǎo)體基氣體傳感器（＆）的平方根。與ｎ型ＭＯＳ相比較，使用ｐ型ＭＯＳ逡逑設(shè)計(jì)高靈敏度的氣體傳感器是具有挑戰(zhàn)性的。另外在ＭＯＳ氣體傳感器中Ｃ２Ｈ５ＯＨ逡逑分子作為檢測(cè)氣體是最常見(jiàn)的，如圖１．１所示，Ｈ．邋Ｋｉｍ等１３０１繪制了邋ｎ和ｐ型ＭＯＳ逡逑氣體傳感器對(duì)于各種濃度的Ｃ２Ｈ５ＯＨ響應(yīng)靈敏的的關(guān)系圖。該圖清楚地表明，ｎ逡逑型氧化物半導(dǎo)休的氣體響應(yīng)傾向于顯著高于ｐ型氧化物半導(dǎo)體的氣體響應(yīng)，這與逡逑上述的研宄結(jié)論相一致。作為ＭＯＳ材料重要的組成部分，ｐ型ＭＯＳ敏感材料本逡逑征的“空穴累積層”限制了其氣敏性能，但近年來(lái)許多研[偣ぷ魑譜盤(pán)嶸鸚痛義細(xì)釁韉牧槊舳鵲刃閱芙寡該停郟常牽藎縲蚊部刂�、掺杂、复合（７w鴰潁穡睿╁澹郟常�，３３］辶x霞骯蠼鶚糶奘危保常矗鋇仁侄�，并且取得了极大的成效。葰g源嬖諦磯轡侍庳叫杞餼觶義先綣ぷ魑露雀�、稳定性较测牸s傲槊舳忍嶸邢薜�。辶x

本文編號(hào)：2765151