隨著工業(yè)科技發(fā)展,人們的生活質(zhì)量得到了極大的提高,但同時由于人們對工業(yè)高度發(fā)達(dá)的負(fù)面影響預(yù)料不夠,預(yù)防不利,導(dǎo)致的環(huán)境污染嚴(yán)重威脅到人類的生產(chǎn)生活安全。人民生產(chǎn)生活的急需和國家政策的導(dǎo)向一同促進(jìn)了氣體傳感器成為了當(dāng)前的重要科學(xué)研究方向。設(shè)計(jì)和制備性能優(yōu)異的氣體敏感材料對于構(gòu)建高性能氣體傳感器具有重大意義。決定氣體傳感器性能的重要因素就是敏感材料的設(shè)計(jì)與研發(fā),以及對敏感材料性能的改善。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,敏感材料的制備方法與敏感材料性能的改善策略不斷被研究。在敏感材料選擇上,金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器以成本低廉、操作簡便、低功耗以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)受到了科研工作者們廣泛的關(guān)注。本文主要圍繞以氧化鋅（ZnO）為代表的金屬氧化物半導(dǎo)體材料和碳量子點(diǎn)材料（CQDs）在氣敏方向的應(yīng)用與性能優(yōu)化進(jìn)行了研究。通過調(diào)控金屬氧化物材料的微觀形貌制備性能優(yōu)異的ZnO敏感材料和通過摻雜具有優(yōu)秀物理化學(xué)性質(zhì)的CQDs材料制備ZnO/CQDs復(fù)合材料,以達(dá)到高性能敏感材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)的目的。并通過制備多種摻雜碳量子點(diǎn)的金屬氧化物復(fù)合材料,研究碳量子點(diǎn)摻雜對復(fù)合材料在室溫紫外激發(fā)下增敏的研究,嘗試解決目前金屬氧化物... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：162 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

氣體傳感器的分類

直熱式結(jié)構(gòu):敏感材料與加熱電極直接接觸,元件加熱和敏感共用同一電路,元件的敏感電極同時也是元件的加熱電極,因此加熱電極和敏感電極可以同時工作。直熱式結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是元件體積小,功耗低,制作工藝簡單,但也有著工作溫度不穩(wěn)定,器件長期穩(wěn)定性差,氣敏響應(yīng)易受干擾的不足。旁熱式結(jié)構(gòu):旁熱式結(jié)構(gòu)傳感器中敏感材料與加熱器分離,在敏感材料與加熱器中間隔有絕緣層,加熱電路和敏感電路分別由不同電極控制,有效防止兩者互相干擾。絕緣層通常選用陶瓷管或陶瓷片襯底,敏感材料被涂覆在帶有敏感電極的絕緣層表面。加熱器通常被置于陶瓷管中心或陶瓷片襯底的下方,利用加熱器將絕緣層加熱,提供敏感材料所需要的工作溫度。旁熱式結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是避免了加熱電路和敏感電路的相互干擾,傳感器的工作溫度可以被精確控制。相比于直熱式器件,旁熱式結(jié)構(gòu)傳感器的氣體敏感精確度和穩(wěn)定性大大提高。但旁熱式結(jié)構(gòu)傳感器由于通過絕緣層對敏感材料進(jìn)行加熱,因此功耗也有所提高。一個典型的以陶瓷管為絕緣層的旁熱式器件結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示[32]。陶瓷管兩端涂覆有平行的環(huán)形金電極作為敏感電極,在金電極上引出鉑絲與敏感電路相連。敏感材料被均勻涂覆在陶瓷管與金電極表面。陶瓷管中間穿過鎳鉻合金電阻絲作為加熱器,兩端與加熱電極相連。

(1)電子耗盡層模型:當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體暴露于空氣中時,材料表面會發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng),根據(jù)氣體分子的電子親和能與半導(dǎo)體材料的功函數(shù)的強(qiáng)弱,電子會在氣體分子與半導(dǎo)體材料之間發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)移�？諝庵械难鯕夥肿油ㄟ^捕獲材料導(dǎo)帶中的自由電子在材料晶格缺陷處形成O-,O2-,和O2-吸附集團(tuán),此時材料失去導(dǎo)帶中電子,在材料表面形成電子耗盡層,對于n型半導(dǎo)體,導(dǎo)帶中的電子即為半導(dǎo)體的載流子,此時失去電子,載流子濃度降低,材料的電阻將會升高。材料被暴露在目標(biāo)待測氣體中時,分為兩種情況,當(dāng)目標(biāo)氣體為還原性氣體時,材料表面的氧吸附集團(tuán)(O-,O2-,和O2-)會與還原性氣體發(fā)生反應(yīng),歸還從材料導(dǎo)帶中捕獲的自由電子,使n型半導(dǎo)體的電子耗盡層減小,載流子數(shù)目增大,材料的電阻將會降低;當(dāng)目標(biāo)氣體為氧化性氣體時,材料表面的氧吸附集團(tuán)會與氧化性氣體結(jié)合,繼續(xù)從材料導(dǎo)帶中捕獲電子,同時也會發(fā)生目標(biāo)氧化性氣體直接捕獲材料導(dǎo)帶中的電子,形成新的帶有負(fù)電荷的吸附氣體集團(tuán),使n型半導(dǎo)體的電子耗盡層增大,載流子數(shù)目進(jìn)一步降低,體現(xiàn)在宏觀上則是材料的電阻增大。以n型半導(dǎo)體ZnO和氧化性氣體NO2為例,電子耗盡層模型如圖1.3所示[33]。p型半導(dǎo)體的機(jī)理與n型半導(dǎo)體相似,不同的是,p型半導(dǎo)體的載流子為帶正電的空穴,因此電子被捕獲,材料的載流子濃度升高,電阻降低。因此當(dāng)目標(biāo)氣體分別為氧化性氣體與還原性氣體時,p型半導(dǎo)體的宏觀電阻變化與n型半導(dǎo)體相反[33-35]。(2)晶界勢壘模型:半導(dǎo)體材料是由小晶粒接觸形成的體材料,晶粒與晶粒間接觸的地方為晶界,晶界處則存在勢壘與界面態(tài)。半導(dǎo)體材料接觸氧化性氣體或暴露在空氣中時,會在晶界處吸附氧集團(tuán)(O-,O2-,和O2-)和氧化性氣體分子集團(tuán),晶界界面態(tài)被吸附集團(tuán)所飽和,由于吸附集團(tuán)會捕獲自由電子形成帶負(fù)電荷的集團(tuán),因此對于n型半導(dǎo)體,提高了晶界勢壘,阻礙了載流子在晶粒之間的傳輸,宏觀上呈現(xiàn)出電阻升高。當(dāng)接觸還原性氣體時,氧吸附集團(tuán)與還原性氣體發(fā)生反應(yīng),釋放電子,降低晶界勢壘,宏觀上呈現(xiàn)出電阻降低[36,37]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]提高氣敏元件靈敏度及選擇性的研究[J]. 閻衛(wèi)平,唐禎安,蔣國平,牛德芳.  大連理工大學(xué)學(xué)報. 1996(03)



本文編號：3363923