本文關(guān)鍵詞：基于點(diǎn)缺陷反應(yīng)的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏選擇性方法學(xué)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前,空氣污染正嚴(yán)重威脅著我們的生產(chǎn)和生存空間。要解決此問(wèn)題,首要任務(wù)便是如何對(duì)這些有毒、有害氣體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)并及時(shí)作出預(yù)警。金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)氣體傳感器由于具有敏感性高、響應(yīng)時(shí)間快、制作成本低、工作壽命長(zhǎng)、易于集成陣列等優(yōu)點(diǎn)是目前針對(duì)空氣污染氣體檢測(cè)的首選之一。然而,MOS氣體傳感器的一個(gè)致命弱點(diǎn)就是較差的選擇性。針對(duì)這一難題,人們提出了很多方法來(lái)增強(qiáng)MOS氣體傳感器的選擇性,然而,這些方法都是基于工程學(xué)的角度去改善氣體傳感器的選擇性,而沒(méi)能夠形成一種切實(shí)可行的理論方法用于指導(dǎo)傳感器選擇性的研究與設(shè)計(jì)。因此,尋找出氣體敏感過(guò)程中的反應(yīng)特性,然后從這些反應(yīng)特性出發(fā),以方法學(xué)的角度去研究氣體敏感的選擇性是目前的迫切需求。 要想從方法學(xué)上研究MOS的氣敏選擇性,就必須有一件合適的研究工具�；诮M合材料學(xué)的思想,本文首先設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套氣敏材料高通量篩選平臺(tái),主要用于MOS多孔膜的氣敏性能評(píng)價(jià)和敏感機(jī)制研究。該平臺(tái)可以在控制外場(chǎng)環(huán)境條件下,高通量表征氣敏材料時(shí)域空間下的氣敏響應(yīng)特性(R-t)和溫度域空間下的電阻—溫度特性(R-T)。為了驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)試功能,我們基于氣敏材料高通量篩選平臺(tái)的R-t測(cè)試,深入地研究了La2O3修飾的SnO2納米晶多孔膜對(duì)甲醛的氣體敏感機(jī)制；基于氣敏材料高通量篩選平臺(tái)的R-T測(cè)試,建立了一種快速搜尋MOS氣體傳感器最佳工作溫度(OOT)的方法。 然后,為了研究Sn02中氧空位陰離子缺陷在氣體敏感過(guò)程中反應(yīng)信息,我們基于缺陷化學(xué)理論,描述了溫度變化條件下,Sn02中單離化氧空位(SIOV)和雙離化氧空位(DIOV)在富氧、貧氧和還原性氣氛環(huán)境下的反應(yīng)過(guò)程,并根據(jù)小極化子躍遷(SPH, Small polaron hopping)導(dǎo)電理論推導(dǎo)得到了缺陷反應(yīng)過(guò)程電子輸運(yùn)模型。與此同時(shí),我們將理論模型與平臺(tái)測(cè)試得到的TEC (Temperature-dependent electrical conductivtiy)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,結(jié)果表明我們推導(dǎo)得到的電子輸運(yùn)模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有較好的自洽性,并且得到了Sn02內(nèi)氧空位缺陷氣敏過(guò)程中反應(yīng)參數(shù)。 緊接著,為了研究MOS中金屬陽(yáng)離子缺陷的性質(zhì)和作用,我們結(jié)合缺陷化學(xué)和SPH導(dǎo)電理論建立了p型和n型金屬離子摻雜Sn02的電子輸運(yùn)模型。與此同時(shí),我們也通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法制備得到了p型摻雜(Li+,Cd2+,Al3+),等價(jià)摻雜(Ti4+)和n型摻雜(Nb5+,W6+)的Sn02納米晶多孔膜,并通過(guò)氣敏材料高通量篩選平臺(tái)得到了這些納米晶多孔膜在貧氧環(huán)境下的TEC曲線(xiàn)。結(jié)合推導(dǎo)得到電子輸運(yùn)模型和測(cè)試結(jié)果,我們對(duì)金屬陽(yáng)離子缺陷的產(chǎn)生、離化及其對(duì)Sn02缺陷結(jié)構(gòu)中電子的輸運(yùn)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。 最后,基于Sn02中氧空位陰離子缺陷和金屬陽(yáng)離子缺陷的理論研究基礎(chǔ),我們以Cd2+摻雜Sn02為模型材料,深入研究了其內(nèi)部氧空位陰離子缺陷和金屬陽(yáng)離子缺陷的氣敏過(guò)程,并基于此提出了全缺陷氣敏機(jī)制,建立了一種基于Sn02基氣敏傳感器中點(diǎn)缺陷反應(yīng)的氣體辨別方法。同時(shí),我們將該方法應(yīng)用于W03氣敏傳感器的氣體辨別中,并對(duì)該套方法的可行性做了初步地探索�；谌毕輽C(jī)敏機(jī)制,我們從TEC速率譜中提取出點(diǎn)缺陷與氣體交互反應(yīng)的特征溫度TM,并得到了不同氣體的特征反應(yīng)譜。該特征譜中包含了點(diǎn)缺陷與氣體的吸附、脫附和反應(yīng)信息,其對(duì)應(yīng)的特征溫度TM及其對(duì)應(yīng)溫度下的d[ln(σT3/2)]/dT可以作為氣體在W03表面反應(yīng)的指紋信息,用以對(duì)氣體種類(lèi)的辨別。
【關(guān)鍵詞】：金屬氧化物半導(dǎo)體 氣體敏感 缺陷化學(xué) 程序升溫技術(shù) 全缺陷氣敏機(jī)制 氣體辨別
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN304;TP212
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-32
• 1.1 引言11-13
• 1.2 金屬氧化物半導(dǎo)體缺陷化學(xué)13-24
• 1.3 金屬氧化物半導(dǎo)體氧空位氣敏模型及其研究現(xiàn)狀24-30
• 1.4 本文的選題思路和主要研究?jī)?nèi)容30-32
• 2 金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料高通量篩選平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)32-42
• 2.1 引言32
• 2.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路32-33
• 2.3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)33-40
• 2.4 平臺(tái)的性能評(píng)價(jià)40-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 3 基于平臺(tái)R-t測(cè)試的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏研究42-56
• 3.1 引言42-43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分43-46
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果46-55
• 3.4 本章小結(jié)55-56
• 4 基于平臺(tái)R-T測(cè)試的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏研究56-68
• 4.1 引言56-57
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分57-61
• 4.3 結(jié)果與討論61-67
• 4.4 本章小結(jié)67-68
• 5 溫度/氣氛?qǐng)鱿耂nO_2納米晶多孔膜的電子輸運(yùn)模型68-82
• 5.1 引言68-69
• 5.2 理論推導(dǎo)69-75
• 5.3 實(shí)驗(yàn)部分75-76
• 5.4 結(jié)果及討論76-80
• 5.5 本章小結(jié)80-82
• 6 p型和n型摻雜SnO_2納米晶多孔膜的電子輸運(yùn)模型82-102
• 6.1 引言82-84
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分84-85
• 6.3 結(jié)果與討論85-101
• 6.4 本章小結(jié)101-102
• 7 基于SnO_2全缺陷氣敏機(jī)制的氣體辨別方法的建立102-118
• 7.1 引言102-103
• 7.2 實(shí)驗(yàn)部分103-104
• 7.3 結(jié)果與討論104-117
• 7.4 本章小結(jié)117-118
• 8 金屬氧化物半導(dǎo)體全缺陷氣敏機(jī)制氣體辨別方法的應(yīng)用118-134
• 8.1 引言118
• 8.2 實(shí)驗(yàn)部分118-119
• 8.3 結(jié)果與討論119-133
• 8.4 本章小結(jié)133-134
• 9 全文總結(jié)134-138
• 9.1 主要結(jié)論134-136
• 9.2 本文的創(chuàng)新之處136
• 9.3 相關(guān)工作展望136-138
• 致謝138-140
• 參考文獻(xiàn)140-157
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間撰寫(xiě)與發(fā)表的論文157-160
• 附錄2 攻讀博士學(xué)位期間申請(qǐng)與授權(quán)的專(zhuān)利160

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