氧化锌表面气体吸附的机理与应用
发布时间：2021-04-19 01:51
半导体表面的气体吸附在紫外传感、气体传感、化学传感、催化等领域具有重要的应用价值。而在这些领域中,以ZnO纳米材料为代表的应用因具有较高的性能而广受关注。本文以ZnO纳米线、纳米薄膜为研究体系,通过第一性计算、改进的Wolkenstein化学吸附模型、空间电荷模型、开尔文原子力显微镜与场效应晶体管等方法,对受有限尺寸、紫外照射以及氧空位调控的ZnO表面气体吸附平衡过程,气体吸附对ZnO表面功函数、内部载流子迁移率与扩散距离的影响,及其在紫外传感、气体传感领域的应用进行了研究。研究发现气体吸附对ZnO功函数的影响主要反映在ZnO表面能带的弯曲以及有限尺寸下ZnO内部费米能级与导带距离的增加,吸附气体分子极性对ZnO功函数的影响可以忽略。同时ZnO的载流子迁移率受表面吸附气体的影响,在吸附NO2时,表面能带弯曲程度最大,导致表面散射与复合增加,载流子迁移率与扩散距离都减小。另外,气体在半导体表面的吸附受到材料尺寸的调控。当ZnO尺寸（纳米线的半径或者纳米薄膜的厚度）小于阈值时,ZnO内部费米能级与导带的距离随着ZnO表面吸附氧的增多而增加,使得内部载流子浓度出现数量级...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
ZnO(1010)表面重构导致表面Zn-O双体出现倾斜[15]
兰州大学博士学位论文氧化锌表面气体吸附的机理与应用6法得到[50]。鉴于本文所涉及的內容，这里主要介绍利用KPFM、场效应晶体管对ZnO或其他半导体材料表面吸附的研究。这两种方法的具体原理将在正文相关部分予以介绍。Sahoo等利用KPFM发现GaN带的表面电势强烈依赖于环境的湿度，并且氧空位的存在会影响H2O的吸附[51]。这一现象同样出现在石墨烯[52]与MoS2二维片的探测中，环境中的氧气与水蒸气会影响到KPFM测量到的MoS2的功函数[53]。DongBoLi等人利用KPFM发现铁电体表面电畴的极性会对CO2、酒精等气体的吸附产生影响[54]，并且铁电体界面的电荷注入也受到气氛的影响[55]。另外利用KPFM探测材料在不同气氛中表面的电势变化，可以作为化学探测器[56]，实现对CO、H2与酒精气体的快速检测[57]。由于场效应晶体管表面的气体吸附，其转移特性曲线将随着气氛[58]或者生长条件的改变[45]而发生变化。具体而言，还原性气体与金属氧化物之间的电荷转移刚好与氧化性气体的相反，因此导致场效应晶体管的截止电压发生变化。同时，不同气体由于吸附能、电荷转移量等的不同，其截止电压的具体值也会不同[44]。利用这一现象，可以实现对混合气体中单一气体的探测，即提高气体探测的选择性，如图1-2所示[43]。这一原理也可以用来提高ZnO等半导体场效应晶体管的性能[44,59,60]。图1-2不同金属颗粒修饰的ZnO纳米线场效应晶体管在不同气氛中的（a）转移特性曲线与（b-d）I-V曲线[43]。
沟迷亓髯永┥⒕嗬朐谥本缎∮阢兄岛蠹本缂跣?88]。另外ZnO纳米线半径小于耗尽层厚度时，表面吸附氧导致的载流子完全耗尽[62,83]，导致了场效应晶体管的截止电压随ZnO等直径变化，以及ZnO纳米线的气敏特性与直径有明显的关联[89,90]。但是目前文献中关于尺寸对ZnO表面气体吸附的研究目前还较少，结合实验的机理解释不够充分。另外耗尽层厚度随直径的变化也影响到ZnO的介电常数[91]，并且随着直径下降而表面能带弯曲程度也出现增加[61,63]。但是Wang与Gu等人利用同样的方法测试却得到的相反的ZnO直径与能带弯曲的关系[92]，如图1-3所示。为解决之一矛盾，并且充分解释ZnO尺寸对其表面气体吸附的影响，必须准确测量得到ZnO的表面能带弯曲程度随直径的关系。这将作为本文的一个研究重点，在第四章中展开。图1-3利用KPFM测量得到的ZnO纳米线表面能带弯曲程度与直径关系的对比。（a）与（b）分别为文献[57]与[92]中的测试结果。
本文编号：3146588
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：114 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
ZnO(1010)表面重构导致表面Zn-O双体出现倾斜[15]
兰州大学博士学位论文氧化锌表面气体吸附的机理与应用6法得到[50]。鉴于本文所涉及的內容，这里主要介绍利用KPFM、场效应晶体管对ZnO或其他半导体材料表面吸附的研究。这两种方法的具体原理将在正文相关部分予以介绍。Sahoo等利用KPFM发现GaN带的表面电势强烈依赖于环境的湿度，并且氧空位的存在会影响H2O的吸附[51]。这一现象同样出现在石墨烯[52]与MoS2二维片的探测中，环境中的氧气与水蒸气会影响到KPFM测量到的MoS2的功函数[53]。DongBoLi等人利用KPFM发现铁电体表面电畴的极性会对CO2、酒精等气体的吸附产生影响[54]，并且铁电体界面的电荷注入也受到气氛的影响[55]。另外利用KPFM探测材料在不同气氛中表面的电势变化，可以作为化学探测器[56]，实现对CO、H2与酒精气体的快速检测[57]。由于场效应晶体管表面的气体吸附，其转移特性曲线将随着气氛[58]或者生长条件的改变[45]而发生变化。具体而言，还原性气体与金属氧化物之间的电荷转移刚好与氧化性气体的相反，因此导致场效应晶体管的截止电压发生变化。同时，不同气体由于吸附能、电荷转移量等的不同，其截止电压的具体值也会不同[44]。利用这一现象，可以实现对混合气体中单一气体的探测，即提高气体探测的选择性，如图1-2所示[43]。这一原理也可以用来提高ZnO等半导体场效应晶体管的性能[44,59,60]。图1-2不同金属颗粒修饰的ZnO纳米线场效应晶体管在不同气氛中的（a）转移特性曲线与（b-d）I-V曲线[43]。
沟迷亓髯永┥⒕嗬朐谥本缎∮阢兄岛蠹本缂跣?88]。另外ZnO纳米线半径小于耗尽层厚度时，表面吸附氧导致的载流子完全耗尽[62,83]，导致了场效应晶体管的截止电压随ZnO等直径变化，以及ZnO纳米线的气敏特性与直径有明显的关联[89,90]。但是目前文献中关于尺寸对ZnO表面气体吸附的研究目前还较少，结合实验的机理解释不够充分。另外耗尽层厚度随直径的变化也影响到ZnO的介电常数[91]，并且随着直径下降而表面能带弯曲程度也出现增加[61,63]。但是Wang与Gu等人利用同样的方法测试却得到的相反的ZnO直径与能带弯曲的关系[92]，如图1-3所示。为解决之一矛盾，并且充分解释ZnO尺寸对其表面气体吸附的影响，必须准确测量得到ZnO的表面能带弯曲程度随直径的关系。这将作为本文的一个研究重点，在第四章中展开。图1-3利用KPFM测量得到的ZnO纳米线表面能带弯曲程度与直径关系的对比。（a）与（b）分别为文献[57]与[92]中的测试结果。
本文编号：3146588
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