金属氧化物基气敏材料制备及其性能研究
发布时间：2021-01-04 16:26
随着物联网和微型健康气体检测仪等给人类的生活提供了极大的便利,同时气体传感器高温操作的缺陷越来越突出。开发低温操作的气体传感器是推动其快速发展的关键因素之一。敏感材料对气敏性能起到重要作用,选择合适的敏感材料有助于传感器性能改善。金属氧化物基传感器具有灵敏度高、寿命长和造价低等优势,这类材料有发展为高性能器件潜力而成为研究热点。然而目前金属氧化物基传感器仍然存在三个重要问题:（1）单一金属氧化物气敏材料的操作温度偏高;（2）检测时该类材料的选择性相对较差;（3）大气中湿度变化对该类材料影响较大。目前异质结是提升传感器性能,优化操作温度的重要途径。而氮化镓（GaN）作为第三类半导体具有高电子迁移率和化学稳定性好,易于形成异质结。因此本论文以金属氧化物的纳米材料为基础,与GaN或碳材料结合设计具有异质结的复合材料。首先基于该异质结的传感器实现气敏性能提升,然后实现低温的高性能气体检测为目标展开相关研究,从而解决金属氧化物基气体传感器存在关键问题。具体研究工作如下:1.将多孔氮化镓（PGAN）基层状异质结应用到湿度传感器,采用水热法制备六方氧化锌纳米片（ZnO）,然后喷涂法制备ZnO/PGA...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２金属氧化物基气体传感器两种基本结构和组成示意图：（ａ）陶瓷管式和（ｂ）平板??式［１Ｈ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｂａｓｉｃ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ?ｏｘｉｄｅ?ｂａｓｅｄ?ｇａｓ?ｓｅｎｓｏｒｓ：?（ａ）??ｃｅｒａｍｉｃ?ｔｕｂｅ?ｔｙｐｅ?ａｎｄ?（ｂ）?ｆｌａｔ?ｐｌａｔｅ?ｔｙｐｅ．??（１）灵敏度??灵敏度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ）代表符号“Ｓ＾，它是衡量气体传感器对?
导电性增加［２５］。??而对于ｐ型金属氧化物基气体传感器而言，载流子的载体多数为空穴。与ｎ??型材料相反，氧气捕获敏感材料表面电子并导致能带向下弯曲。但是，对于ｐ型??金属氧化物价带弯曲的原因是由于空穴积累造成的。这就意味着与ｎ型金属氧化??〇?０?０?０?〇?〇?〇??Ｅ，?Ｅ＊??鬆炉?４＊（?＜？ｃ?？？?４？?＾?ｍ?ｍ?ｍ?ｍ?ｍ?？＊?３ｋ．??以…人？？…ａ？．…ｒ?ａ?Ｔ?Ｊ??ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ?ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ??图１．４金属氧化物半导体载流子传导过程示意图：（ａ）在ｎ型半导体的耗尽层中：（ｂ）在??Ｐ型半导体的空穴积累层中Ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ?ｏｘｉｄｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｃａｒｒｉｅｒ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ：?（ａ）??ｉｎ?ｔｈｅ?ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ?ｏｆ?ａ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，?（ｂ）?ｉｎ?ｔｈｅ?ｈｏｌｅ?ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ?ｏｆ?ａ?ｐ－??ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．??物相比，ｐ型材料的导电性更好，电阻更校在还原性测试气体氛围中，测试??气体与吸附的氧离子相互作用，而不是直接与敏感材料表面直接作用。当气体??７??
气敏敏??感机制。金属氧化物异质结的设计和机理将在异质结部分重点讨论。??（ａ）?Ｈ２?？２〇?（ｂ）??〇２?〇ｆ?〇２?〇２－?Ｎｆ？＇?〇２－?〇ｔ?〇２??蠢。娜．??〇２?〇２?〇２?ＮＯｓ?Ｏｆ?ｏ＇?ＮＯ，??？Ｍ＞?＊?Ｖ?？Ｎ？?４?ｋ?ｊｆ?＼??Ｉｎ?ｒｅｄｕｃｌｎｇｇａｓ?ｉ＼?／?；＼?＼?Ｉｎ?ｏｘｉｄｉＭｎｇ?ｇａｓ??，ｎａｌｒ?Ｉｎ?ａｉｒ?／／?＼＼??—￣—?Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?’?、、＼??ｂａｒｒｉｅｒ??图１．５?ｎ型金属氧化物晶粒的氧吸附和相关能带结构的结构示意图：（ａ）在还原气体中；??（ｂ）在氧化气体中??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｇｒａｉｎｓ?ｏｆ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｗｉｔｈ?ｏｘｙｇｅｎ?ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ?ａｎｄ??ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，?（ａ）?ｉｎ?ｒｅｄｕｃｉｎｇ?ｇａｓ，?（ｂ）?ｉｎ?ｏｘｉｄｉｘｉｎｇ?ｇａｓ．??１．３．?３影响金属氧化物气敏材料性能的关键因素??研究表明，对金属氧化物影响气敏性能是由所有金属氧化物参数共同决定的，??如图１．６所示Ｍ。随着科研人员研究不断深入，金属氧化物制备过程的优化是改??善传感器特征参数有效的方法之一。因为金属氧化物的形貌、结构、体积和表面??等参数性质，这些性质对气体传感性能有显著的影响。实验研宄分析表明，膜厚??度ｔ３３］、颗粒尺寸ｔ３４，３５ｋ孔隙率［３６，３火表面形貌［３２，３８，３９１等因素是改善气敏性能的重??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Gas Sensors Based on Chemi-Resistive Hybrid Functional Nanomaterials[J]. Yingying Jian,Wenwen Hu,Zhenhuan Zhao,Pengfei Cheng,Hossam Haick,Mingshui Yao,Weiwei Wu. Nano-Micro Letters. 2020(06)
[2]金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理[J]. 唐伟,王兢. 物理化学学报. 2016(05)
[3]ZnSnO3-SnO2纳米片分级结构的自组装及气敏特性（英文）[J]. 曾毅,邴一飞,刘畅,郑伟涛,邹广田. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(10)
博士论文
[1]金属氧化物半导体纳米材料的制备及其气敏传感性能的研究[D]. 张子悦.浙江大学 2018
[2]金属氧化物半导体表面态的调控设计及气敏性能的研究[D]. 王丽丽.吉林大学 2014
本文编号：2957060
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２金属氧化物基气体传感器两种基本结构和组成示意图：（ａ）陶瓷管式和（ｂ）平板??式［１Ｈ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｂａｓｉｃ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ?ｏｘｉｄｅ?ｂａｓｅｄ?ｇａｓ?ｓｅｎｓｏｒｓ：?（ａ）??ｃｅｒａｍｉｃ?ｔｕｂｅ?ｔｙｐｅ?ａｎｄ?（ｂ）?ｆｌａｔ?ｐｌａｔｅ?ｔｙｐｅ．??（１）灵敏度??灵敏度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ）代表符号“Ｓ＾，它是衡量气体传感器对?
导电性增加［２５］。??而对于ｐ型金属氧化物基气体传感器而言，载流子的载体多数为空穴。与ｎ??型材料相反，氧气捕获敏感材料表面电子并导致能带向下弯曲。但是，对于ｐ型??金属氧化物价带弯曲的原因是由于空穴积累造成的。这就意味着与ｎ型金属氧化??〇?０?０?０?〇?〇?〇??Ｅ，?Ｅ＊??鬆炉?４＊（?＜？ｃ?？？?４？?＾?ｍ?ｍ?ｍ?ｍ?ｍ?？＊?３ｋ．??以…人？？…ａ？．…ｒ?ａ?Ｔ?Ｊ??ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ?ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ??图１．４金属氧化物半导体载流子传导过程示意图：（ａ）在ｎ型半导体的耗尽层中：（ｂ）在??Ｐ型半导体的空穴积累层中Ｍ??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｍｅｔａｌ?ｏｘｉｄｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｃａｒｒｉｅｒ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ：?（ａ）??ｉｎ?ｔｈｅ?ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ?ｏｆ?ａ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，?（ｂ）?ｉｎ?ｔｈｅ?ｈｏｌｅ?ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ?ｏｆ?ａ?ｐ－??ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．??物相比，ｐ型材料的导电性更好，电阻更校在还原性测试气体氛围中，测试??气体与吸附的氧离子相互作用，而不是直接与敏感材料表面直接作用。当气体??７??
气敏敏??感机制。金属氧化物异质结的设计和机理将在异质结部分重点讨论。??（ａ）?Ｈ２?？２〇?（ｂ）??〇２?〇ｆ?〇２?〇２－?Ｎｆ？＇?〇２－?〇ｔ?〇２??蠢。娜．??〇２?〇２?〇２?ＮＯｓ?Ｏｆ?ｏ＇?ＮＯ，??？Ｍ＞?＊?Ｖ?？Ｎ？?４?ｋ?ｊｆ?＼??Ｉｎ?ｒｅｄｕｃｌｎｇｇａｓ?ｉ＼?／?；＼?＼?Ｉｎ?ｏｘｉｄｉＭｎｇ?ｇａｓ??，ｎａｌｒ?Ｉｎ?ａｉｒ?／／?＼＼??—￣—?Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?’?、、＼??ｂａｒｒｉｅｒ??图１．５?ｎ型金属氧化物晶粒的氧吸附和相关能带结构的结构示意图：（ａ）在还原气体中；??（ｂ）在氧化气体中??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｇｒａｉｎｓ?ｏｆ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｗｉｔｈ?ｏｘｙｇｅｎ?ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ?ａｎｄ??ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，?（ａ）?ｉｎ?ｒｅｄｕｃｉｎｇ?ｇａｓ，?（ｂ）?ｉｎ?ｏｘｉｄｉｘｉｎｇ?ｇａｓ．??１．３．?３影响金属氧化物气敏材料性能的关键因素??研究表明，对金属氧化物影响气敏性能是由所有金属氧化物参数共同决定的，??如图１．６所示Ｍ。随着科研人员研究不断深入，金属氧化物制备过程的优化是改??善传感器特征参数有效的方法之一。因为金属氧化物的形貌、结构、体积和表面??等参数性质，这些性质对气体传感性能有显著的影响。实验研宄分析表明，膜厚??度ｔ３３］、颗粒尺寸ｔ３４，３５ｋ孔隙率［３６，３火表面形貌［３２，３８，３９１等因素是改善气敏性能的重??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Gas Sensors Based on Chemi-Resistive Hybrid Functional Nanomaterials[J]. Yingying Jian,Wenwen Hu,Zhenhuan Zhao,Pengfei Cheng,Hossam Haick,Mingshui Yao,Weiwei Wu. Nano-Micro Letters. 2020(06)
[2]金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理[J]. 唐伟,王兢. 物理化学学报. 2016(05)
[3]ZnSnO3-SnO2纳米片分级结构的自组装及气敏特性（英文）[J]. 曾毅,邴一飞,刘畅,郑伟涛,邹广田. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(10)
博士论文
[1]金属氧化物半导体纳米材料的制备及其气敏传感性能的研究[D]. 张子悦.浙江大学 2018
[2]金属氧化物半导体表面态的调控设计及气敏性能的研究[D]. 王丽丽.吉林大学 2014
本文编号：2957060
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