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SnO_2材料的第一性原理研究及其薄膜制备

李小娟  
【摘要】: SnO_2是目前应用最广泛的一种气敏材料,可以用来检测各种易燃、易爆及危险气体。本文从理论和实验两方面对其进行了研究。 采用基于密度泛函理论的第一性原理对SnO_2的体相结构、氧空位、Pd掺杂以及在SnO_2(110)面吸附CO后的电子能带结构进行了分析。计算结果表明,SnO_2属于直接带隙半导体,Sn、O原子间存在一定的共价作用;随着SnO_2中氧空位和Pd掺杂浓度的增加,导带宽度逐渐增大,带隙宽度逐渐减小,光学吸收带出现蓝移;通过对CO吸附在SnO_2的化学计量和还原性这两类不同(110)面的9种构型进行计算,分别得到了两类表面吸附的稳定结构;进一步分析表明:表面吸附CO后的SnO_2材料电导率比吸附前的要大,其中SnO_2化学计量(110)面吸附CO后的结构更为稳定,在建立的所有吸附模型中以CO横向吸附在化学计量(110)面的Sn(5)和O(2)原子之间时的结构最稳定。 采用磁控溅射法,通过调整衬底温度、溅射气压和氩氧比等参数制备出了不同微结构和成分的SnO_2薄膜,研究结果表明:衬底温度越高,薄膜的结晶程度越好;气压越低,越易形成非晶薄膜;沉积SnO_2薄膜的最佳氩氧比为4:1。 利用XRD和TEM对不同温度退火后的SnO_2薄膜样品进行分析,研究发现样品在300℃退火时开始晶化,晶粒尺寸为8 nm,薄膜晶化程度和晶粒尺寸随着退火温度的升高而增大,到600℃时,晶化完全,晶粒尺寸为24 nm。将样品在500℃经不同时间退火后发现,随着退火时间增加,薄膜的晶化程度和晶粒尺寸也有所增加。 根据SnO_2材料的工作条件,分别设计出满足气敏特性测试的单传感器和多传感器结构。


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