【摘要】：氣體傳感器作為廣泛應(yīng)用的傳感器,可以將氣體特征信息通過特殊手段轉(zhuǎn)化為相應(yīng)可檢測的電學(xué)信號特征,從而實(shí)現(xiàn)對特定氣體的檢測。隨著人民生活水平的提高和對環(huán)境保護(hù)的日益重視,人們對各種有毒有害氣體的檢測,工業(yè)廢氣的監(jiān)測以及對食品質(zhì)量的檢測提出了更高的要求。甲醛是一種有刺激性氣味、無色的有毒氣體,幾乎存在人類活動的任何地方,甲醛(CH_2O)氣體的檢測對人們的生產(chǎn)和生活具有重要意義。隨著石墨烯的成功制備,越來越多的二維材料被成功預(yù)測和制備。由于二維材料的高比表面積和優(yōu)異的電學(xué)性能,它們作為敏感材料在半導(dǎo)體氣體傳感器領(lǐng)域的表現(xiàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬氧化物(MEMS和NEMS器件中的應(yīng)用)。二維材料作為敏感材料在氣體傳感器中的應(yīng)用將會為傳感器的性能帶來極大的提升。本文的主要研究內(nèi)容是運(yùn)用第一性原理計算方法開展多種二維材料氣體吸附行為的微觀作用機(jī)理研究,尤其是針對CH_2O檢測敏感材料的相關(guān)作用機(jī)理研究。通過第一性原理計算方法,本文展開了基于單層二維材料penta-BP_5多種氣體(CH_2O、CO、CO_2、SO_2、O_2和NO)吸附行為的研究。文中計算了CH_2O、CO、CO_2、SO_2、O_2和NO在penta-BP_5表面吸附體系的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能參數(shù)。計算結(jié)果表明CH_2O、CO、CO_2和SO_2在基底的表面吸附行為趨向于物理吸附。研究表明CH_2O和SO_2吸附于penta-BP_5表面時擁有明顯的電荷轉(zhuǎn)移,而且基底的電學(xué)性能在氣體小分子吸附前后發(fā)生了明顯改變,penta-BP_5可以應(yīng)用于CH_2O和SO_2的檢測。這兩種氣體在基底表面的吸附行為是物理吸附,吸附后很容易從penta-BP_5表面脫吸附,penta-BP_5對于這兩種氣體的檢測表現(xiàn)可能比藍(lán)磷烯好。對于O_2和NO吸附在penta-BP_5表面的吸附行為趨向于化學(xué)吸附,表明penta-BP_5能夠應(yīng)用于這兩種氣體的檢測或者相關(guān)的催化反應(yīng)。本文還通過第一性原理計算方法,專門展開了CH_2O在BN、AlN、GaN、InN、BP和P六種單層二維材料表面吸附機(jī)理的研究。本文計算了CH_2O在六種基底表面吸附體系的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu),電荷轉(zhuǎn)移量和電學(xué)性能參數(shù)。研究結(jié)果表明,CH_2O在BN、GaN、BP和P表面的吸附行為趨向于物理吸附。通過計算分析吸附體系的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度,發(fā)現(xiàn)CH_2O吸附前后BN、AlN、GaN、InN和P的電學(xué)性能發(fā)生了明顯的改變。CH_2O在GaN表面的吸附行為趨向于物理吸附,而且CH_2O和基底間有明顯的電荷轉(zhuǎn)移以及最大的吸附能,認(rèn)為GaN是這六種材料里最適合運(yùn)用于CH_2O檢測的。CH_2O在AlN和InN表面的吸附行為趨向于化學(xué)吸附,并伴隨著較大的吸附能和電荷轉(zhuǎn)移量,考慮到化學(xué)吸附導(dǎo)致小分子脫吸附困難,單層AlN和InN適合應(yīng)用于一次性CH_2O氣體檢測或者相關(guān)的催化反應(yīng)。
【圖文】：

器行業(yè)占據(jù)著舉足輕重的位置。目前，大部分氣體傳感器的尺寸較集成化，而且在對檢測精度要求越來越高的今天，傳統(tǒng)的氣體傳感并不能滿足人們的檢測要求。尺寸小，精度高，可靠性好的氣體傳來越迫切。新材料的不斷發(fā)現(xiàn)為氣體傳感器發(fā)展提供了強(qiáng)大動力，料石墨烯的成功制備，，越來越多性能優(yōu)越的二維材料被人們預(yù)測和些材料不僅擁有良好的機(jī)械性能，而且還擁有良好的電化學(xué)性能[1量科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，由于二維材料巨大的比表面積，氣體小分子更容材料接觸，致使它們與氣體小分子有著較強(qiáng)的物理或者化學(xué)作用。氣體，這種相互作用可能會明顯改變二維材料的電學(xué)性能，而這也作為敏感材料應(yīng)用于氣體傳感器的可能[26, 37-40]。由于大部分二維材材料，所以大部分基于二維材料的傳感器被歸結(jié)于半導(dǎo)體氣體傳感材料的半導(dǎo)體氣體傳感器的一般結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1-1。當(dāng)氣體進(jìn)入濾裝置處理后，到達(dá)半導(dǎo)體敏感材料表面，對于特定的氣體接近表材料的電荷分布產(chǎn)生一定的作用，從而改變其電學(xué)特性，通過測量的改變來反應(yīng)特定氣體小分子的相關(guān)信息。

§3.1 單層石墨烯的發(fā)現(xiàn)為地球上豐富的元素，幾乎隨處可見。人們最早認(rèn)識墨具有良好的導(dǎo)電性和潤滑性，金剛石幾乎是自然。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的碳的同素異如碳納米管、C60和石墨烯等。石墨烯最早是由英v和 Geim 成功實(shí)驗(yàn)制備，并實(shí)現(xiàn)了原子級別的表征種高度對稱的新材料，最小單元是由等效的 6 個碳原元環(huán)構(gòu)成了蜂窩狀的二維周期型結(jié)構(gòu)[34]，見圖 3-1。剝離得到的。研究表明，石墨從本質(zhì)上來講是多層石接在一起的，早期的石墨烯就是利用這個原理，利用剝離，直到獲得的石墨越來越薄，實(shí)驗(yàn)最終獲得了單實(shí)驗(yàn)制備技術(shù)的快速發(fā)展，性能越來越優(yōu)異的石墨
【學(xué)位授予單位】：桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;O647.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2645285