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金属氧化物半导体表面态的调控设计及气敏性能的研究

王丽丽  
【摘要】:在城市化进程不断加速、机动车保有量持续增加、能源消耗量快速增长的今天,传感器作为信息获取的器件或系统,已经成为现代科技的重要支柱之一。敏感材料是气体传感器的核心,大力发展和开发敏感材料是提高气体传感器性能的战略途径之一。近年来,纳米科技的发展为敏感材料的研究和材料微观结构的设计注入了新的元素,也提供了驱动力和创新的源泉。对敏感材料结构的物化性、电学性质进行分析,重点研究尺寸、相成分和结构对材料物化特性的影响,对获得新型的敏感材料并拓展其在化学传感领域的应用具有非常重要的意义。另外,纳米材料表面的调控与气体传感器宏观特性的内在关系的分析突破了常规的机理研究,为发展高性能敏感器件拓展了无限空间。本论文主要围绕金属氧化物半导体传感器在气体检测中存在的问题,从提高材料的识别功能、转换功能和利用效率入手,利用水热合成法制备种类丰富、形态各异的氧化物半导体敏感材料,通过调节反应条件对多种半导体氧化物敏感材料进行表面、界面和相成分的调控,来增强气体传感器的灵敏度、选择性、响应恢复速度和稳定性等。主要内容如下: (1)利用水热合成技术制备了实心SnO2和ZnO纳米球,解决了无规则纳米粒子由于范德华力作用团聚的问题,增大了比表面积,根据粒子的尺寸效应,初步分析了实心纳米材料的气体敏感特性,阐述了实心结构和无规则纳米粒子敏感特性机理。 (2)将中空结构纳米材料应用在气体传感器上,深入研究疏松壳层和中空结构对待测气体分子传输的作用,增加了待测气体分子在敏感体表面的吸附量;提高了待测气体分子在敏感体内部的传输速率,使敏感元件的响应恢复时间大幅度的缩短。 (3)通过添加表面活性剂和改变其种类来调控组成结构单元的维数,获得由不同维数的纳米结构单元所构成的分等级结构。然后通过高温煅烧的方法除去吸附在材料表面的表面活性剂,制得表面疏松及多孔的分等级结构。探索表面疏松程度对气敏特性的影响。 (4)首次将具有核壳结构的纳米材料应用在气体传感器上,揭示了金属氧化物半导体材料表(界)面状态对化学敏感特性的调制作用,发现气体传感器性能高度依赖材料微观结构,并建立了金属氧化物半导体气体敏感机理的模型; (5)利用分等级材料、中空材料和核壳材料的表面修饰等新的手段调制材料与待测气体之间的相互作用,同时可对纳米材料的化学修饰或改性可实现其性能裁剪,改善其表面结构,增强其在纳米材料基体中的分散特性及其与基体之间的界面结合作用。从而提高气体传感器的检测精度、选择性和稳定性;此外结合化学和电子敏感机制,初步建立了理论模型。为纳米电子器件的深入研究提供了基础; (6)发展一种新型抗环境湿度由p型半导体和n型半导体组成的复合敏感材料,将这种复合异质材料应用在气体传感器上,利用p型半导体在一维纳米材料上的生长减小p型半导体纳米粒子的聚集,将这些纳米粒子集中修饰在纳米纤维的外围,增强其与水分子之间的相互作用,从而消除湿度对敏感性能的影响,提高传感器的检测精度和稳定性。 本论文的开展不仅为气体传感器提供新型纳米材料、微纳加工方法和技术,而且还在基础研究层面,深入理解纳米尺度下敏感材料的结构、相成分与敏感功能的关系,明晰微纳结构的增强机制,为气体传感器的研究与开发提供新理念。丰富了金属氧化物半导体气体传感器的敏感机理,为气体传感器的研究提供新理论、新方法和新技术。


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