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钆掺杂氧化锌的制备及气敏特性的实验研究

闫琳  
【摘要】:近年来,随着社会的不断发展和科学技术的进步,大量高科技已逐步踏入生活生产中,与此同时人们遭受各种有毒有害、可燃气体的威胁,因此,气体检测技术的研究深受重视。金属氧化物半导体气体传感器具有优异的物理化学稳定性、成本低、卓越的传感性能等优点,在安全监控、环境保护、药物检查、军事防御等领域具有广泛的应用潜力。ZnO是一种新型的宽禁带隙半导体材料,在光电器件、场发射器件、传感器、紫外激光器等领域有着广泛的应用。它作为新型的Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带隙半导体,室温禁带宽度约为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV。而且具有化学稳定性好、电子迁移率高,在高温下不易分解,其粒子可以合成各种不同形貌结构,这有利于用作气体传感器的气敏材料,同时,对多数还原性气体均体现出较好的气敏特性。在器件应用中,提高传感器的灵敏度一直是一个重要的研究课题。提高传感器灵敏度的方法主要包括形貌结构的调控、其他元素的掺杂、缺陷空位的存在、工作温度的选择等。因此,本文从这几方面入手改善气敏材料来提高灵敏度,具体研究内容如下:(1)以P型硅为衬底经过常规丙酮超声波清洗和RCA清洗后,利用射频磁控溅射法在不同生长条件下制备氧化锌纳米结构。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分别表征了样品的结构形态和表面形貌。结果表明,溅射时间、压强、功率不影响层状薄膜镶嵌球状凸起的形貌结构。鉴于基本溅射条件不能实现垂直条状阵列排布,选择对衬底进行450℃的加热处理后,改变了镶嵌结构,实现了ZnO垂直衬底底部的条状阵列生长。XRD表明条状阵列与ZnO(103)晶面取向密切相关。结合溅射功率对生长速率的影响,低速率下,条状不够明显,阵列受(002)取向抑制,高速率下,可消除(002)晶面生长取向的干扰。实现了在高功率高速率、衬底加热、低工作压强下ZnO垂直条状阵列沿(103)晶面择优生长的结构。这将很好的用于气体传感器的气敏材料。气敏测试结果表明,纳米阵列结构比薄膜镶嵌结构的ZnO气敏材料在恒定浓度的丙酮蒸汽中灵敏度提高了1.82倍,对于检测丙酮和氢气均有更快的瞬间信号,因此,瞬间反应有利于检测危险气体的有无。(2)以稀土元素Gd作为掺杂元素,采用射频磁控双靶共溅射法合成0.5%和2%的Gd掺杂ZnO纳米结构。采用XRD、SEM、EDX等表征方法进行研究。研究发现,与未掺杂ZnO相比,掺杂Gd的ZnO表面均匀,有较大的接触面积,纳米结构之间缝隙均匀宽大,存在富锌状态时,可提供更多反应位点;生长取向全部转变为具有六角纤锌矿晶体结构,很好的改变了各个方向的能量分配;禁带宽度增大引入杂质能级,可提高载流子浓度;因而非常容易与目标气体分子发生反应而增强ZnO传感响应。气敏测试结果表明,掺杂Gd的ZnO气体传感器在室温下可以实现H_2响应恢复。在暴露于丙酮蒸汽检测中,Gd的掺杂大大提高了纯ZnO作为气敏材料的灵敏度。因此,掺杂Gd对增强ZnO气体传感器的传感性能具有重要意义,降低了工作温度,在检测有害气体方面具有广阔的应用前景。


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