p型金属氧化物的缺陷调控及气敏特性研究
发布时间：2020-07-22 01:59
【摘要】：p型金属氧化物半导体(MOS)具有丰富的结构多样性、优异的表面物理化学特性及对挥发性有机物(VOCs)具有良好的光催化性能等,可以作为n型MOS气体敏感材料的强有力补充,具有重要的研究与应用价值。然而,p型MOS气体传感器固有的低响应灵敏度限制了其应用。本文采用真空退火、ArH2等离子体处理及异质掺杂等方法对p型MOS的表面缺陷进行调控,重点研究了氧缺陷对p型MOS气敏性能的影响,具体的研究成果与创新点如下:1.采用真空退火的方法提升p-CuCrO2气体传感器对VOCs的响应灵敏度。研究了两种不同粒径的铜铁矿型CuCrO2(CCO)纳米颗粒的VOCs响应特性。气敏测试结果表明,单电离氧空位(Vo)缺陷而非粒径在增强VOCs分子/CCO界面电荷交换方面起着重要作用。为进一步验证这个观点,通过真空退火引入更多的Vo·缺陷,随着Vo·浓度的增加,灵敏度也随之增大。这种增敏机理可以从两个方面来解释:一是Vo·的增加使传感器的空穴浓度降低,增大了基线电阻,二是Vo·中的未配对电子为环境中氧分子和VOCs分子的化学吸附提供了更多的活性位点。此外,这种敏感的(富Vo·缺陷)CCO传感器在中等工作温度(325℃)下表现出良好的重复性和稳定性。通过真空退火的缺陷调控方法诱导产生的Vo·缺陷,可有效地提高p型三元氧化物传感器的VOCs响应性能,为设计高性能p型MOS气体传感器做了有益尝试。但由于真空处理在调控表面Vo·的同时,也不可避免的引入体Vo·,而体Vo·不利于载流子的快速传输,进而限制p型传感器的气敏性能进一步提升,下一部分工作提出了一种简便的表面氧空位缺陷调控方法。2.采用ArH2等离子体处理技术调控p-CuAlO2气体传感器的气敏性能。与其它缺陷工程方法相比,ArH2等离子体处理技术可以精确地产生表面Vo缺陷而不影响其体性能,这对于充分发掘气体与MOS气体传感器界面电荷交换的潜力至关重要。研究表明,等离子体处理30min后,传感器对丙酮、乙醇等VOCs的响应显著增强。系统的缺陷表征表明,AH2等离子体处理后传感器表面的Vo缺陷显著增加,即响应灵敏度与Vo缺陷的浓度呈正相关关系。这与Vo缺陷作为VOCs分子吸附和氧化还原反应的活性中心的最新研究进展相一致。但由于Ar＆H2等离子体处理诱导产生的Vo缺陷在高温空气氛围下测试时会不断被消耗,以致p-CuAlO2传感器稳定性较差。下一部分开展了异质掺杂调控Vo缺陷及其稳定性研究的工作。3.采用Sc掺杂增强p-NiO气体传感器对VOCs分子的气敏性能(灵敏度和稳定性)。掺杂量为7.4at.%时,传感器对100ppm丙酮的响应灵敏度从8.2(未掺杂NO)提高到109.4,检出限达到10ppb。系统的缺陷表征表明,Vo缺陷对p-NiO传感器的VOCs响应有显著的促进作用,而非常认为的Ni3+。异质掺杂剂Sc可以改变NiO表面的配位性质,有利于在其表面形成大量稳定的Vo缺陷,为VOCs分子的吸附和随后的表面氧化还原反应提供更多的活性位点。4.通过改变退火温度对p-CuScO2的电阻进行了近8个数量级的调控,进而实现在室温下研究表面吸附水对p-CuScO2的氨气响应极性的影响。实验利用了具有独特氧间隙掺杂能力的铜铁矿CuScO2,在不改变形貌结构的条件下通过空气退火的方式对其电阻进行了近8个数量级的调制。研究结果表明,在室温潮湿空气中CuScO2对氨气分子呈n型响应特性,而在干燥空气中对氨气和其他挥发性有机化合物显示出正常的p型响应特性,表明水的存在对室温传感器的“响应极性”起着重要作用。这种传感机制为设计在潮湿环境中工作的高灵敏度室温传感器提供有价值的指导。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TP212
【图文】：
氧化物半导体基气体传感器（＆）的平方根。与ｎ型ＭＯＳ相比较，使用ｐ型ＭＯＳ逡逑设计高灵敏度的气体传感器是具有挑战性的。另外在ＭＯＳ气体传感器中Ｃ２Ｈ５ＯＨ逡逑分子作为检测气体是最常见的，如图１．１所示，Ｈ．邋Ｋｉｍ等１３０１绘制了邋ｎ和ｐ型ＭＯＳ逡逑气体传感器对于各种浓度的Ｃ２Ｈ５ＯＨ响应灵敏的的关系图。该图清楚地表明，ｎ逡逑型氧化物半导休的气体响应倾向于显著高于ｐ型氧化物半导体的气体响应，这与逡逑上述的研宄结论相一致。作为ＭＯＳ材料重要的组成部分，ｐ型ＭＯＳ敏感材料本逡逑征的“空穴累积层”限制了其气敏性能，但近年来许多研[偣ぷ魑谱盘嵘鹦痛义细衅鞯牧槊舳鹊刃阅芙寡该停郏常牵荩缧蚊部刂啤⒉粼印⒏春希ǎ穑鸹颍穑睿╁澹郏常玻常常蒎义霞肮蠼鹗粜奘危保常矗钡仁侄危⑶胰〉昧思蟮某尚АＨ欢源嬖谛矶辔侍庳叫杞饩觯义先绻ぷ魑露雀摺⑽榷ㄐ越喜钜约傲槊舳忍嵘邢薜取ｅ义
本文编号：2765151
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TP212
【图文】：
氧化物半导体基气体传感器（＆）的平方根。与ｎ型ＭＯＳ相比较，使用ｐ型ＭＯＳ逡逑设计高灵敏度的气体传感器是具有挑战性的。另外在ＭＯＳ气体传感器中Ｃ２Ｈ５ＯＨ逡逑分子作为检测气体是最常见的，如图１．１所示，Ｈ．邋Ｋｉｍ等１３０１绘制了邋ｎ和ｐ型ＭＯＳ逡逑气体传感器对于各种浓度的Ｃ２Ｈ５ＯＨ响应灵敏的的关系图。该图清楚地表明，ｎ逡逑型氧化物半导休的气体响应倾向于显著高于ｐ型氧化物半导体的气体响应，这与逡逑上述的研宄结论相一致。作为ＭＯＳ材料重要的组成部分，ｐ型ＭＯＳ敏感材料本逡逑征的“空穴累积层”限制了其气敏性能，但近年来许多研[偣ぷ魑谱盘嵘鹦痛义细衅鞯牧槊舳鹊刃阅芙寡该停郏常牵荩缧蚊部刂啤⒉粼印⒏春希ǎ穑鸹颍穑睿╁澹郏常玻常常蒎义霞肮蠼鹗粜奘危保常矗钡仁侄危⑶胰〉昧思蟮某尚АＨ欢源嬖谛矶辔侍庳叫杞饩觯义先绻ぷ魑露雀摺⑽榷ㄐ越喜钜约傲槊舳忍嵘邢薜取ｅ义
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