氧化锌和碳量子点基复合材料的制备及其气敏性能研究
发布时间：2021-08-26 08:41
随着工业科技发展,人们的生活质量得到了极大的提高,但同时由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够,预防不利,导致的环境污染严重威胁到人类的生产生活安全。人民生产生活的急需和国家政策的导向一同促进了气体传感器成为了当前的重要科学研究方向。设计和制备性能优异的气体敏感材料对于构建高性能气体传感器具有重大意义。决定气体传感器性能的重要因素就是敏感材料的设计与研发,以及对敏感材料性能的改善。随着材料科学的发展,敏感材料的制备方法与敏感材料性能的改善策略不断被研究。在敏感材料选择上,金属氧化物半导体气体传感器以成本低廉、操作简便、低功耗以及灵敏度高等优点受到了科研工作者们广泛的关注。本文主要围绕以氧化锌（ZnO）为代表的金属氧化物半导体材料和碳量子点材料（CQDs）在气敏方向的应用与性能优化进行了研究。通过调控金属氧化物材料的微观形貌制备性能优异的ZnO敏感材料和通过掺杂具有优秀物理化学性质的CQDs材料制备ZnO/CQDs复合材料,以达到高性能敏感材料的设计与研发的目的。并通过制备多种掺杂碳量子点的金属氧化物复合材料,研究碳量子点掺杂对复合材料在室温紫外激发下增敏的研究,尝试解决目前金属氧化物...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气体传感器的分类
直热式结构:敏感材料与加热电极直接接触,元件加热和敏感共用同一电路,元件的敏感电极同时也是元件的加热电极,因此加热电极和敏感电极可以同时工作。直热式结构传感器的优点是元件体积小,功耗低,制作工艺简单,但也有着工作温度不稳定,器件长期稳定性差,气敏响应易受干扰的不足。旁热式结构:旁热式结构传感器中敏感材料与加热器分离,在敏感材料与加热器中间隔有绝缘层,加热电路和敏感电路分别由不同电极控制,有效防止两者互相干扰。绝缘层通常选用陶瓷管或陶瓷片衬底,敏感材料被涂覆在带有敏感电极的绝缘层表面。加热器通常被置于陶瓷管中心或陶瓷片衬底的下方,利用加热器将绝缘层加热,提供敏感材料所需要的工作温度。旁热式结构传感器的优点是避免了加热电路和敏感电路的相互干扰,传感器的工作温度可以被精确控制。相比于直热式器件,旁热式结构传感器的气体敏感精确度和稳定性大大提高。但旁热式结构传感器由于通过绝缘层对敏感材料进行加热,因此功耗也有所提高。一个典型的以陶瓷管为绝缘层的旁热式器件结构图如图1.2所示[32]。陶瓷管两端涂覆有平行的环形金电极作为敏感电极,在金电极上引出铂丝与敏感电路相连。敏感材料被均匀涂覆在陶瓷管与金电极表面。陶瓷管中间穿过镍铬合金电阻丝作为加热器,两端与加热电极相连。
(1)电子耗尽层模型:当金属氧化物半导体暴露于空气中时,材料表面会发生化学吸附反应,根据气体分子的电子亲和能与半导体材料的功函数的强弱,电子会在气体分子与半导体材料之间发生相应的转移。空气中的氧气分子通过捕获材料导带中的自由电子在材料晶格缺陷处形成O-,O2-,和O2-吸附集团,此时材料失去导带中电子,在材料表面形成电子耗尽层,对于n型半导体,导带中的电子即为半导体的载流子,此时失去电子,载流子浓度降低,材料的电阻将会升高。材料被暴露在目标待测气体中时,分为两种情况,当目标气体为还原性气体时,材料表面的氧吸附集团(O-,O2-,和O2-)会与还原性气体发生反应,归还从材料导带中捕获的自由电子,使n型半导体的电子耗尽层减小,载流子数目增大,材料的电阻将会降低;当目标气体为氧化性气体时,材料表面的氧吸附集团会与氧化性气体结合,继续从材料导带中捕获电子,同时也会发生目标氧化性气体直接捕获材料导带中的电子,形成新的带有负电荷的吸附气体集团,使n型半导体的电子耗尽层增大,载流子数目进一步降低,体现在宏观上则是材料的电阻增大。以n型半导体ZnO和氧化性气体NO2为例,电子耗尽层模型如图1.3所示[33]。p型半导体的机理与n型半导体相似,不同的是,p型半导体的载流子为带正电的空穴,因此电子被捕获,材料的载流子浓度升高,电阻降低。因此当目标气体分别为氧化性气体与还原性气体时,p型半导体的宏观电阻变化与n型半导体相反[33-35]。(2)晶界势垒模型:半导体材料是由小晶粒接触形成的体材料,晶粒与晶粒间接触的地方为晶界,晶界处则存在势垒与界面态。半导体材料接触氧化性气体或暴露在空气中时,会在晶界处吸附氧集团(O-,O2-,和O2-)和氧化性气体分子集团,晶界界面态被吸附集团所饱和,由于吸附集团会捕获自由电子形成带负电荷的集团,因此对于n型半导体,提高了晶界势垒,阻碍了载流子在晶粒之间的传输,宏观上呈现出电阻升高。当接触还原性气体时,氧吸附集团与还原性气体发生反应,释放电子,降低晶界势垒,宏观上呈现出电阻降低[36,37]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]提高气敏元件灵敏度及选择性的研究[J]. 阎卫平,唐祯安,蒋国平,牛德芳. 大连理工大学学报. 1996(03)
本文编号：3363923
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
气体传感器的分类
直热式结构:敏感材料与加热电极直接接触,元件加热和敏感共用同一电路,元件的敏感电极同时也是元件的加热电极,因此加热电极和敏感电极可以同时工作。直热式结构传感器的优点是元件体积小,功耗低,制作工艺简单,但也有着工作温度不稳定,器件长期稳定性差,气敏响应易受干扰的不足。旁热式结构:旁热式结构传感器中敏感材料与加热器分离,在敏感材料与加热器中间隔有绝缘层,加热电路和敏感电路分别由不同电极控制,有效防止两者互相干扰。绝缘层通常选用陶瓷管或陶瓷片衬底,敏感材料被涂覆在带有敏感电极的绝缘层表面。加热器通常被置于陶瓷管中心或陶瓷片衬底的下方,利用加热器将绝缘层加热,提供敏感材料所需要的工作温度。旁热式结构传感器的优点是避免了加热电路和敏感电路的相互干扰,传感器的工作温度可以被精确控制。相比于直热式器件,旁热式结构传感器的气体敏感精确度和稳定性大大提高。但旁热式结构传感器由于通过绝缘层对敏感材料进行加热,因此功耗也有所提高。一个典型的以陶瓷管为绝缘层的旁热式器件结构图如图1.2所示[32]。陶瓷管两端涂覆有平行的环形金电极作为敏感电极,在金电极上引出铂丝与敏感电路相连。敏感材料被均匀涂覆在陶瓷管与金电极表面。陶瓷管中间穿过镍铬合金电阻丝作为加热器,两端与加热电极相连。
(1)电子耗尽层模型:当金属氧化物半导体暴露于空气中时,材料表面会发生化学吸附反应,根据气体分子的电子亲和能与半导体材料的功函数的强弱,电子会在气体分子与半导体材料之间发生相应的转移。空气中的氧气分子通过捕获材料导带中的自由电子在材料晶格缺陷处形成O-,O2-,和O2-吸附集团,此时材料失去导带中电子,在材料表面形成电子耗尽层,对于n型半导体,导带中的电子即为半导体的载流子,此时失去电子,载流子浓度降低,材料的电阻将会升高。材料被暴露在目标待测气体中时,分为两种情况,当目标气体为还原性气体时,材料表面的氧吸附集团(O-,O2-,和O2-)会与还原性气体发生反应,归还从材料导带中捕获的自由电子,使n型半导体的电子耗尽层减小,载流子数目增大,材料的电阻将会降低;当目标气体为氧化性气体时,材料表面的氧吸附集团会与氧化性气体结合,继续从材料导带中捕获电子,同时也会发生目标氧化性气体直接捕获材料导带中的电子,形成新的带有负电荷的吸附气体集团,使n型半导体的电子耗尽层增大,载流子数目进一步降低,体现在宏观上则是材料的电阻增大。以n型半导体ZnO和氧化性气体NO2为例,电子耗尽层模型如图1.3所示[33]。p型半导体的机理与n型半导体相似,不同的是,p型半导体的载流子为带正电的空穴,因此电子被捕获,材料的载流子浓度升高,电阻降低。因此当目标气体分别为氧化性气体与还原性气体时,p型半导体的宏观电阻变化与n型半导体相反[33-35]。(2)晶界势垒模型:半导体材料是由小晶粒接触形成的体材料,晶粒与晶粒间接触的地方为晶界,晶界处则存在势垒与界面态。半导体材料接触氧化性气体或暴露在空气中时,会在晶界处吸附氧集团(O-,O2-,和O2-)和氧化性气体分子集团,晶界界面态被吸附集团所饱和,由于吸附集团会捕获自由电子形成带负电荷的集团,因此对于n型半导体,提高了晶界势垒,阻碍了载流子在晶粒之间的传输,宏观上呈现出电阻升高。当接触还原性气体时,氧吸附集团与还原性气体发生反应,释放电子,降低晶界势垒,宏观上呈现出电阻降低[36,37]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]提高气敏元件灵敏度及选择性的研究[J]. 阎卫平,唐祯安,蒋国平,牛德芳. 大连理工大学学报. 1996(03)
本文编号：3363923
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