【摘要】：金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器是一種全固態(tài)電阻式氣體傳感器,目前在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,對(duì)靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)速度快、穩(wěn)定性好的氣體傳感器的需求越來越大。目前,為了提高金屬氧化物氣體傳感器的氣體傳感性能,開發(fā)高性能的氣體傳感材料成為了研究的重點(diǎn)。本論文以高性能金屬氧化物氣體傳感材料作為研究對(duì)象,從理論總結(jié)和實(shí)驗(yàn)探究兩個(gè)方面,針對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感材料的敏感機(jī)理和性能提升策略進(jìn)行研究。主要工作內(nèi)容如下:(1)通過查閱大量的文獻(xiàn),針對(duì)暴露高能晶面的金屬氧化物納米材料在氣體傳感方面應(yīng)用的研究進(jìn)行系統(tǒng)的分析和總結(jié),針對(duì)常用的幾種氧化物導(dǎo)體氣體傳感材料的高能晶面,計(jì)算了原子面密度和懸掛鍵密度,討論了材料表面晶面種類和氣體傳感特性的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),在材料表面選擇性地暴露高能晶面,可以有效地提高金屬氧化物半導(dǎo)體材料的氣體傳感性能。可以得出以下結(jié)論:纖鋅礦ZnO中的(0001)晶面、金紅石型SnO2中的(332)晶面、銳鈦礦型TiO2中的(001)晶面、赤鐵礦型Fe2O3中的(113)晶面和立方晶系Cu20中的(110)晶面是金屬陽離子截止面且懸掛鍵密度大;而綠鎳礦型NiO中的(110)晶面雖然同時(shí)含有金屬陽離子和氧負(fù)離子,但其表面懸掛鍵密度較大。在材料表面暴露這些晶面可以為氣體傳感反應(yīng)時(shí)氣體吸附提供充足的活性位點(diǎn)。因此,在材料制備過程中選擇性的暴露金屬陽離子截止的、懸掛鍵密度大的晶面將會(huì)大大改善材料的氣體傳感特性,提高材料的響應(yīng)。(2)采用共軸靜電紡絲法制備具有核殼結(jié)構(gòu)的一維金屬氧化物納米纖維,其中核層材料和殼層材料分別選擇n型和p型半導(dǎo)體材料。本論文中構(gòu)筑的材料體系分別是Co304-ZnO核殼納米纖維和Cr203-SnO2核殼納米纖維,系統(tǒng)地研究了 p-n異質(zhì)結(jié)對(duì)核殼納米纖維氣體傳感特性的影響。研究發(fā)現(xiàn):與ZnO-Co3O4核殼納米纖維、單軸ZnO納米纖維和Co3O4納米纖維相比,Co3O4-ZnO核殼納米纖維具有更優(yōu)越的氣體傳感性能,并且顯示出典型的p型氣體傳感材料的特性。分析認(rèn)為由于核層材料和殼層材料在界面處形成導(dǎo)帶不連續(xù)跨立型p-n異質(zhì)結(jié)導(dǎo)致的。由于異質(zhì)結(jié)特殊的能帶結(jié)構(gòu),使得材料與氣體的反應(yīng)不單單是由纖維的外殼材料決定的,而是核層、殼層和異質(zhì)結(jié)的協(xié)同作用。而對(duì)于SnO2和Cr2O3材料體系,SnO2-Cr2O3核殼納米纖維對(duì)目標(biāo)氣體具有更高的響應(yīng)。此外,Cr2O3-SnO2核殼納米纖維中的異質(zhì)結(jié)為能帶連續(xù)跨立型p-n異質(zhì)結(jié),材料的氣體傳感特性主要是由粒子的晶界勢(shì)壘的變化來決定,SnO2-Cr2O3核殼納米纖維的氣體傳感特性是由外殼材料Cr2O3所決定的,呈現(xiàn)出了 p型的氣體傳感特性。此外,由于異質(zhì)結(jié)的形成,使得材料中存在更多的晶格失配,會(huì)在核殼界面處形成更多的缺陷和懸掛鍵,有效地改善了材料的氣體傳感性能。本論文通過以上兩方面的工作,不但為金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感材料的優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),也為高性能氣敏材料的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和參考。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

當(dāng)工作溫度＜邋１５０°Ｃ、１５０°Ｃ和４００ＤＣ之間以及＞邋４００°Ｃ時(shí)，表面吸附的氧逡逑負(fù)離子分別為0２＿、0＿和0２＿ｎ３］。氧氣的吸附會(huì)導(dǎo)致材料表面附近出現(xiàn)高阻態(tài)電逡逑子耗盡層（ＥＤＬ）（圖１．２ａ）。對(duì)于ｐ型半導(dǎo)體，氧負(fù)離子的形成會(huì)導(dǎo)致在材料表逡逑面形成低阻態(tài)空穴積累層（ＨＡＬ）（圖１．２ｂ）邋由于ｎ型和ｐ型金屬氧化物半導(dǎo)逡逑體中的多數(shù)載流子分別是電子和空穴，它們會(huì)顯示出不同的氣體傳感特性，如逡逑表１所示。以ｎ型半導(dǎo)體ＺｎＯ為例。在空氣中，ＺｎＯ中的電子被氧氣分子捕獲，逡逑形成ＥＤＬ，使材料的電阻增加。在這種情況下，如果引入一種還原氣體，氧負(fù)逡逑離子會(huì)與氣體發(fā)生反應(yīng)，捕獲的電子會(huì)釋放回材料中，導(dǎo)致材料電阻的降低。逡逑當(dāng)接觸氧化性氣體時(shí)，材料將進(jìn)一步被氧化。因此，ＥＤＬ的厚度以及材料的電逡逑阻都會(huì)增加。ｐ型半導(dǎo)體如表１所示，表現(xiàn)出與ｎ型半導(dǎo)體相反的特性。逡逑（ａ）邐ｎ－ｔｙｐｅ邋ｏｘｉｄｅ邐＼逡逑ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ邋）邐）邐、一＾邋Ｓｅｍｉｃｏｎ＿邋ｃｏ『ｅ逡逑ｖＶ邋＾Ｆｅ＊邋＾邐ｆ邋１邋（ｔｏｗ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑＾邐（ｈｉｇｈ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）逡逑（

體傳感性能，因此在材料表面暴露更多高能晶面有重要意義。在實(shí)驗(yàn)過程中，逡逑通過調(diào)整熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)因素，可以成功制備表面暴露出高能晶面的晶體材料逡逑（圖１．３）邋從熱力學(xué)的角度來看，采用機(jī)表面活性劑、聚合物、小分子或離逡逑子在生長過程中選擇性地覆蓋或吸附在特定晶面上，使其表面能降低，迫使晶逡逑面暴露［３６°８１。動(dòng)力學(xué)控制是調(diào)整微晶、納米晶形狀和表面結(jié)構(gòu)的另一種有效方逡逑法。實(shí)際上，晶體生長的條件常常與平衡條件有很大的不同，在非平衡條件下，逡逑晶體的形狀不是唯一的，晶體成核和生長過程中晶體的生長速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)逡逑對(duì)晶體形狀的影響很大。與調(diào)控?zé)崃W(xué)因素相比，控制動(dòng)力學(xué)因素更加的復(fù)雜逡逑５逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 胡冬青;光纖光柵傳感特性的研究[J];信息通信;2005年03期

2 江柳清;胡義慧;江超;楊義發(fā);;涂覆層對(duì)長周期光纖光柵溫度傳感特性的影響研究[J];激光雜志;2016年12期

3 江柳清;胡義慧;江超;;長周期光纖光柵的彎曲傳感特性[J];湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2016年04期

4 曾維友;王晴嵐;徐利;黎小姝;;非對(duì)稱雙芯光子晶體光纖的溫度傳感特性研究[J];激光與紅外;2019年12期

5 江柳清;胡義慧;朱國良;楊義發(fā);江超;;涂覆層對(duì)長周期光纖光柵液體濃度傳感特性的影響[J];激光雜志;2017年03期

6 姜德生,李劍芝,梅家純;多模光纖光柵溫度傳感特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2004年02期

7 周智,武湛君,田石柱,趙雪峰,萬里冰,歐進(jìn)萍;光纖布喇格光柵溫度傳感特性的研究[J];壓電與聲光;2002年06期

8 姜慧娜;宋小軍;劉偉景;李高芳;黃寧;趙婉婉;石張軍;;納米氧化銅尺寸效應(yīng)對(duì)其濕度傳感特性的影響[J];微納電子技術(shù);2018年09期

9 張燕君;王海寶;陳澤貴;畢衛(wèi)紅;;光纖光柵毛細(xì)鋼管封裝工藝及其傳感特性研究[J];激光與紅外;2009年01期

10 周智,趙雪峰,武湛君,萬里冰,歐進(jìn)萍;光纖光柵毛細(xì)鋼管封裝工藝及其傳感特性研究[J];中國激光;2002年12期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 蔡蘋楊;宋紅杰;張立春;呂弋;;具有次級(jí)結(jié)構(gòu)的氧化鋅微球控制合成及其乙醇傳感特性研究[A];中國化學(xué)會(huì)第十屆全國發(fā)光分析學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2011年

2 伍鐵生;劉玉敏;俞重遠(yuǎn);葉寒;彭益煒;張文;;單缺陷納米腔中的法諾共振現(xiàn)象及其傳感特性研究[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)報(bào)告摘要集[C];2014年

3 丁利華;唐俐;;光纖光柵軸向應(yīng)變傳感特性[A];四川省電子學(xué)會(huì)傳感技術(shù)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

4 李明;吳翔;陳震e

本文編號(hào)：2725001