基于混沌检测方法的Ni掺杂SiC气敏型器件研究

发布时间：2020-05-08 05:41

【摘要】：Ni掺杂SiC器件将提高器件吸附目标气体的效率,而混沌检测可以提高测试气体的灵敏性,二者的有机接合对于研发新型、低浓度气体传感器具有十分重要的意义。碳化硅的宽带隙和化学惰性使4H-SiC作为基底材料具有理论探索和现实应用意义,而混沌电路对于初值强敏感的特点为设计一种高灵敏度、低成本的传感器提供了一种全新的思路。本文从理论计算和混沌检测电路设计两方面对Ni掺杂SiC气敏型器件的气体吸附性能进行了研究,具体内容包括以下几个方面:基于密度泛函的第一性原理研究了 4H-SiC(001)面定位掺杂Ni的磁性与光学性质,分析了空间位置和掺杂比率对磁性和光学性质的影响规律。研究表明:对于二维SiC,掺杂前表面悬挂键和界面效应会产生弱磁性,且对比可知Ni定位取代Si的位置较C的位置形成的结构使体系更加稳定。Ni原子同时取代C原子比取代Si原子得到的磁矩大,奇数倍的取代较偶数倍取代得到的磁矩大,主要是因为在掺杂偶数倍时存在自旋选择的阻挫,使总的磁矩减小。研究了在单层SiC中以特定形状掺杂不同数量Ni原子的电子结构、磁性与光学性质,发现在掺杂一个Ni与掺杂3Ni构成三角的时候自旋态密度出现了劈裂即产生了自旋极化的现象,而在掺杂前与掺杂2Ni和掺杂4Ni构成菱形时由于自旋阻挫的原因体系没在表面出现极化现象。由于d电子的局域性自旋态密度劈裂主要出现在费米能级附近。掺杂Ni原子后体系的导带向低能量方向移动,并且带隙减小。光学性质的计算表明Ni掺杂提高了体系的光电导,这一结果对气体吸附器件的灵敏性和检测多样性研究提供了可能。在Ni掺杂稳定结构上,研究了外加电场对Ni掺杂SiC气敏型器件吸附CO与甲基的影响。在吸附气体时加正向电场有利于吸附,相反则有利于气体的脱附,因此可以通过调控电场的大小与方向达到气体吸附或者脱附的目的。探究外加电场对于能带带隙的影响,发现在加正向电场时随着电场强度的增加体系的带隙增加,而在加负向电场时随着强度的增加带隙减小。因此说明不同方向、强度的电场具有调节带隙以改善器件吸附的灵敏程度的功能。基于FPGA设计一种恒流式混沌测量电路来测量微小电阻变化。通过FPGA控制电容充放电斜率比使电路工作在混沌状态,根据混沌轨道距离变化计算出被测电阻阻值,建立起阻抗与气体浓度的线性关系,同时通过LCD1602对测量电阻值进行实时的显示。本文通过第一性原理计算研究了Ni掺杂改善SiC的电子结构、磁性、光学以及吸附气体的规律,为以碳化硅为基底的传感器研发提供理论指导。以FPGA为主控芯片设计的恒流式混沌检测电路为通过检测电阻值变化来检测气体浓度变化提供了借鉴。
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量子化学计算方法,相关软件

2 计算方法以及相关软件介绍2 计算方法以及相关软件介绍理概要中所有的计算采用的都是基于超软赝势的 GGA(Generaliz PBE (Perdew, Burke and Emzerhof) 的方法[24]。图 2.1 给出了及他们的相互关系。由于组成物质的多粒子系统非常复杂且题，那么对于计算过程做出合理的简化和近似就显的十分重提出了多种近似方法，其中最简单的近似就是单电子近似方解问题简化为单电子方程进行计算求解的方法主要分为两种和密度泛函理论方法[26]。

位置,原子,金刚石结构,化学势

ulk C 在金刚石结构上计算得到的总能i 的值即μSi=μSibulk。C 原子的化学势可以 C 富集的情况下μC=μCbulk和μSi=μSiCbulk-μbulk bulk bulkf C Si SiC H SiC 所需要的能量。这里计算得到的 3.1 中列出了 Ni 分别取代 Si 与 C 的形 Si-rich 的情况 Ni 取代 Si 的形成能都定。 Ni 原子定位取代 C 或 Si 原子后形成能计算sult of the formation of energy after the Ni athe C or Si atom.ModelCNiC-rich -4.6396 -7Si-rich -5.2656 -
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X831;TP212

【参考文献】