金属氧化物异质结构的设计与气敏性能研究
发布时间：2020-12-17 15:51
金属氧化物半导体纳米材料,因其结构形态多样化、化学性质稳定等特点,成为气体传感器领域的研究热点。然而,半导体气体传感器存在工作温度高、能耗高以及检测限低的缺点。大量研究发现,使用复合金属氧化物可以有效的提高传感器的选择性及其他性能参数。两种不同的材料之间形成的异质结能够引起电荷转移以及材料表面耗尽层、势垒的形成,增强了传感器的气敏响应。但现在关于金属氧化物异质结传感器的研究大多数是实验性的,对异质结增强气敏响应的机理也是众说纷纭,这主要是由于敏感材料的种类多导致的。因此,明确异质结气敏增强机理的意义重大。一旦明确了异质结增强气敏性能的机理,我们就可以有针对性的设计敏感材料,达到节省时间和成本的目的。针对上述问题,本论文的基本思路是设计并构筑大比表面积的纳米结构,通过负载贵金属或合成多元金属氧化物材料,进一步提高纯相金属氧化物半导体材料的气敏性能。利用贵金属的催化溢流效应、电子耗尽层模型、空穴聚集模型以及肖特基势垒来解释气敏机理。论文主要研究结果如下:（1）通过引入Au/In2O3（M/S）结,揭示了贵金属的催化溢流效应在半导体气体传感器改性方...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
气体传感器的分类
青岛大学硕士学位论文11图2.1旁热式气体传感器(a)结构示意图；(b)实物图本论文中还采用了另一种气体传感器，将样品直接生长在Ti/Au叉指电极上，这种方法保留了样品结构的完整性。该气体传感器的气敏性能是通过自组装的系统进行测试，将Keithley2231、2401以及测试室经过电路连接组合在一起，调节测试室中陶瓷加热片两端的电压来控制温度，其余的测试均与WS-30A一致。该系统测试单一，一次只能进行一个样品的测试。2.3.2气敏测试的主要特性参数灵敏度是衡量待测气体敏感程度的一个重要指标，是评价气体传感器性能高低的重要参数。根据测量类型的不同，灵敏度的定义也是有区别的。对于电阻型金属氧化物半导体传感器而言，当材料暴露于还原性气体中，若气敏材料为n型半导体，灵敏度是材料在空气中的电阻值(Ra)与待测气体中的电阻值(Rg)之比，即Ra/Rg。而对于P型材料的灵敏度则正好相反，为Rg/Ra。通常，灵敏度的比值一定要大于1，才能证明该传感器对待测气体有响应。最佳工作温度是指在一定温度下，传感器对被测气体的响应值达到最大值。目前，研究者们正致力于降低传感器的工作温度，有助于减少功耗、延长传感器寿命以及提高使用安全性。选择性是衡量气体传感器性能高低的另一个重要参数。当一个气体传感器被置于有多种干扰气体的环境中，若该气体传感器对目标气体反应明显，有较高的响应，而对其他干扰气体有较小的反应或是没有反应，那么可以认为该气体传感器对于目标气体的选择性较好，具有较强的识别选择的能力。重复性对于衡量气体传感器性能的高低也十分重要。测量气体传感器的重复性时，需要尽量保持实验条件的一致性，即相同的环境、测试人员、仪器以及程序等。在较短时间间隔内完成5-6组重复且连续的测试过程，若最终所?
青岛大学硕士学位论文14将0.1g已制得的In2O3微球均匀的分散在150ml的去离子水中，加入不同体积的0.1MHAuCl4溶液(0.3、0.6、1.0和1.5ml)和0.01M赖氨酸溶液(0.6、1.2、2.4和3ml)。将悬浮液搅拌20分钟后，加入新配置的NaBH4溶液，将HAuCl4还原成Au纳米颗粒。继续搅拌1h后，离心得到深紫色沉淀，用去离子水和乙醇清洗几遍。将制得的样品在空气氛围下煅烧3h(煅烧温度控制在300oC)，得到Au/In2O3复合微球材料。依据Au负载量的不同可将Au/In2O3混合物命名为Au/In2O3-x，其中x分别为1，2，3和4。3.3样品形貌结构表征利用SEM对In2S3前驱体、In2O3微球以及Au/In2O3复合微球材料进行了形貌表征。如图3.1a-b所示，In2S3前驱体是平均直径为800nm的层状微球结构，且微球是由光滑纳米薄片组装而成的。在图3.1c-d中，经过煅烧得到的In2O3材料仍较好地保留了In2S3的三维微球结构，但纳米薄片上有大量的颗粒状物质。而Au/In2O3混合微球的SEM图(图3.1e-f)则显示该材料仍然具有多孔结构，这有利于传感实验中气体的扩散。图3.1(a,b)In2S3，(c,d)In2O3和(e,f)Au/In2O3-3微球的SEM图像XRD测试可表征每一步实验所得到产品的物相结构变化。如图3.2所示，水热合成的样品衍射峰与In2S3标准卡(JCPDS25-0390)完全吻合，这说明水热合成的产品为In2S3。经热处理后，在In2O3(JCPDS06-0416)中没有发现与In2S3等杂质有关的衍射现象，表明产物已从In2S3完全转变为In2O3。从Au/In2O3的衍射峰中可以看到，Au在(111)处会产生轻微的衍射，并且Au(111)的强度随着Au含量的增加而
本文编号：2922297
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
气体传感器的分类
青岛大学硕士学位论文11图2.1旁热式气体传感器(a)结构示意图；(b)实物图本论文中还采用了另一种气体传感器，将样品直接生长在Ti/Au叉指电极上，这种方法保留了样品结构的完整性。该气体传感器的气敏性能是通过自组装的系统进行测试，将Keithley2231、2401以及测试室经过电路连接组合在一起，调节测试室中陶瓷加热片两端的电压来控制温度，其余的测试均与WS-30A一致。该系统测试单一，一次只能进行一个样品的测试。2.3.2气敏测试的主要特性参数灵敏度是衡量待测气体敏感程度的一个重要指标，是评价气体传感器性能高低的重要参数。根据测量类型的不同，灵敏度的定义也是有区别的。对于电阻型金属氧化物半导体传感器而言，当材料暴露于还原性气体中，若气敏材料为n型半导体，灵敏度是材料在空气中的电阻值(Ra)与待测气体中的电阻值(Rg)之比，即Ra/Rg。而对于P型材料的灵敏度则正好相反，为Rg/Ra。通常，灵敏度的比值一定要大于1，才能证明该传感器对待测气体有响应。最佳工作温度是指在一定温度下，传感器对被测气体的响应值达到最大值。目前，研究者们正致力于降低传感器的工作温度，有助于减少功耗、延长传感器寿命以及提高使用安全性。选择性是衡量气体传感器性能高低的另一个重要参数。当一个气体传感器被置于有多种干扰气体的环境中，若该气体传感器对目标气体反应明显，有较高的响应，而对其他干扰气体有较小的反应或是没有反应，那么可以认为该气体传感器对于目标气体的选择性较好，具有较强的识别选择的能力。重复性对于衡量气体传感器性能的高低也十分重要。测量气体传感器的重复性时，需要尽量保持实验条件的一致性，即相同的环境、测试人员、仪器以及程序等。在较短时间间隔内完成5-6组重复且连续的测试过程，若最终所?
青岛大学硕士学位论文14将0.1g已制得的In2O3微球均匀的分散在150ml的去离子水中，加入不同体积的0.1MHAuCl4溶液(0.3、0.6、1.0和1.5ml)和0.01M赖氨酸溶液(0.6、1.2、2.4和3ml)。将悬浮液搅拌20分钟后，加入新配置的NaBH4溶液，将HAuCl4还原成Au纳米颗粒。继续搅拌1h后，离心得到深紫色沉淀，用去离子水和乙醇清洗几遍。将制得的样品在空气氛围下煅烧3h(煅烧温度控制在300oC)，得到Au/In2O3复合微球材料。依据Au负载量的不同可将Au/In2O3混合物命名为Au/In2O3-x，其中x分别为1，2，3和4。3.3样品形貌结构表征利用SEM对In2S3前驱体、In2O3微球以及Au/In2O3复合微球材料进行了形貌表征。如图3.1a-b所示，In2S3前驱体是平均直径为800nm的层状微球结构，且微球是由光滑纳米薄片组装而成的。在图3.1c-d中，经过煅烧得到的In2O3材料仍较好地保留了In2S3的三维微球结构，但纳米薄片上有大量的颗粒状物质。而Au/In2O3混合微球的SEM图(图3.1e-f)则显示该材料仍然具有多孔结构，这有利于传感实验中气体的扩散。图3.1(a,b)In2S3，(c,d)In2O3和(e,f)Au/In2O3-3微球的SEM图像XRD测试可表征每一步实验所得到产品的物相结构变化。如图3.2所示，水热合成的样品衍射峰与In2S3标准卡(JCPDS25-0390)完全吻合，这说明水热合成的产品为In2S3。经热处理后，在In2O3(JCPDS06-0416)中没有发现与In2S3等杂质有关的衍射现象，表明产物已从In2S3完全转变为In2O3。从Au/In2O3的衍射峰中可以看到，Au在(111)处会产生轻微的衍射，并且Au(111)的强度随着Au含量的增加而
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