高性能半导体气体传感器的设计策略及p-n核壳纳米纤维传感特性的研究

发布时间：2020-06-22 01:54

【摘要】：金属氧化物半导体气体传感器是一种全固态电阻式气体传感器,目前在工业生产和日常生活中有着广泛的应用。随着物联网的不断发展,对灵敏度高、响应恢复速度快、稳定性好的气体传感器的需求越来越大。目前,为了提高金属氧化物气体传感器的气体传感性能,开发高性能的气体传感材料成为了研究的重点。本论文以高性能金属氧化物气体传感材料作为研究对象,从理论总结和实验探究两个方面,针对金属氧化物半导体气体传感材料的敏感机理和性能提升策略进行研究。主要工作内容如下:(1)通过查阅大量的文献,针对暴露高能晶面的金属氧化物纳米材料在气体传感方面应用的研究进行系统的分析和总结,针对常用的几种氧化物导体气体传感材料的高能晶面,计算了原子面密度和悬挂键密度,讨论了材料表面晶面种类和气体传感特性的关系。研究发现,在材料表面选择性地暴露高能晶面,可以有效地提高金属氧化物半导体材料的气体传感性能。可以得出以下结论:纤锌矿ZnO中的(0001)晶面、金红石型SnO2中的(332)晶面、锐钛矿型TiO2中的(001)晶面、赤铁矿型Fe2O3中的(113)晶面和立方晶系Cu20中的(110)晶面是金属阳离子截止面且悬挂键密度大;而绿镍矿型NiO中的(110)晶面虽然同时含有金属阳离子和氧负离子,但其表面悬挂键密度较大。在材料表面暴露这些晶面可以为气体传感反应时气体吸附提供充足的活性位点。因此,在材料制备过程中选择性的暴露金属阳离子截止的、悬挂键密度大的晶面将会大大改善材料的气体传感特性,提高材料的响应。(2)采用共轴静电纺丝法制备具有核壳结构的一维金属氧化物纳米纤维,其中核层材料和壳层材料分别选择n型和p型半导体材料。本论文中构筑的材料体系分别是Co304-ZnO核壳纳米纤维和Cr203-SnO2核壳纳米纤维,系统地研究了 p-n异质结对核壳纳米纤维气体传感特性的影响。研究发现:与ZnO-Co3O4核壳纳米纤维、单轴ZnO纳米纤维和Co3O4纳米纤维相比,Co3O4-ZnO核壳纳米纤维具有更优越的气体传感性能,并且显示出典型的p型气体传感材料的特性。分析认为由于核层材料和壳层材料在界面处形成导带不连续跨立型p-n异质结导致的。由于异质结特殊的能带结构,使得材料与气体的反应不单单是由纤维的外壳材料决定的,而是核层、壳层和异质结的协同作用。而对于SnO2和Cr2O3材料体系,SnO2-Cr2O3核壳纳米纤维对目标气体具有更高的响应。此外,Cr2O3-SnO2核壳纳米纤维中的异质结为能带连续跨立型p-n异质结,材料的气体传感特性主要是由粒子的晶界势垒的变化来决定,SnO2-Cr2O3核壳纳米纤维的气体传感特性是由外壳材料Cr2O3所决定的,呈现出了 p型的气体传感特性。此外,由于异质结的形成,使得材料中存在更多的晶格失配,会在核壳界面处形成更多的缺陷和悬挂键,有效地改善了材料的气体传感性能。本论文通过以上两方面的工作,不但为金属氧化物半导体气体传感材料的优化提供了实验基础,也为高性能气敏材料的设计提供了理论依据和参考。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

氧化物半导体,耗尽层,电子

当工作温度＜邋１５０°Ｃ、１５０°Ｃ和４００ＤＣ之间以及＞邋４００°Ｃ时，表面吸附的氧逡逑负离子分别为0２＿、0＿和0２＿ｎ３］。氧气的吸附会导致材料表面附近出现高阻态电逡逑子耗尽层（ＥＤＬ）（图１．２ａ）。对于ｐ型半导体，氧负离子的形成会导致在材料表逡逑面形成低阻态空穴积累层（ＨＡＬ）（图１．２ｂ）邋由于ｎ型和ｐ型金属氧化物半导逡逑体中的多数载流子分别是电子和空穴，它们会显示出不同的气体传感特性，如逡逑表１所示。以ｎ型半导体ＺｎＯ为例。在空气中，ＺｎＯ中的电子被氧气分子捕获，逡逑形成ＥＤＬ，使材料的电阻增加。在这种情况下，如果引入一种还原气体，氧负逡逑离子会与气体发生反应，捕获的电子会释放回材料中，导致材料电阻的降低。逡逑当接触氧化性气体时，材料将进一步被氧化。因此，ＥＤＬ的厚度以及材料的电逡逑阻都会增加。ｐ型半导体如表１所示，表现出与ｎ型半导体相反的特性。逡逑（ａ）逦ｎ－ｔｙｐｅ邋ｏｘｉｄｅ逦＼逡逑ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ邋）逦）逦、一＾邋Ｓｅｍｉｃｏｎ＿邋ｃｏ『ｅ逡逑ｖＶ邋＾Ｆｅ＊邋＾逦ｆ邋１邋（ｔｏｗ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑＾逦（ｈｉｇｈ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）逡逑（

动力学因素,晶面,热力学,晶体

体传感性能，因此在材料表面暴露更多高能晶面有重要意义。在实验过程中，逡逑通过调整热力学或动力学因素，可以成功制备表面暴露出高能晶面的晶体材料逡逑（图１．３）邋从热力学的角度来看，采用机表面活性剂、聚合物、小分子或离逡逑子在生长过程中选择性地覆盖或吸附在特定晶面上，使其表面能降低，迫使晶逡逑面暴露［３６°８１。动力学控制是调整微晶、纳米晶形状和表面结构的另一种有效方逡逑法。实际上，晶体生长的条件常常与平衡条件有很大的不同，在非平衡条件下，逡逑晶体的形状不是唯一的，晶体成核和生长过程中晶体的生长速率等动力学参数逡逑对晶体形状的影响很大。与调控热力学因素相比，控制动力学因素更加的复杂逡逑５逡逑

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