金屬氧化物pn異質(zhì)結(jié)對(duì)光電響應(yīng)與氣體敏感特性的作用.pdf

1、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)因其可以直接利用太陽(yáng)能，而被廣泛應(yīng)用于氣體探測(cè)、光催化、以及能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。其光氣敏特性就是指因光生載流子與表面化學(xué)吸附物間的交互作用而引起電導(dǎo)變化的性質(zhì)。眾所周知，半導(dǎo)體光電器件的氣敏響應(yīng)與其組成、形貌、結(jié)構(gòu)以及氣氛等密切相關(guān)，涉及材料、表征和應(yīng)用三個(gè)研究層面，而其光量子效率、本身的穩(wěn)定性和低成本又是其實(shí)際應(yīng)用的研究重點(diǎn)。其中，最為關(guān)鍵的是要有足夠的效率，即到達(dá)材料表面并能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的光生載流子數(shù)量

2、。實(shí)踐證明，不同MOS間的耦合是最有效的解決途徑，尤其是p型與n型MOS間的復(fù)合，它可以利用pn異質(zhì)結(jié)形成的內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)分離光生電子-空穴對(duì)。然而，如何評(píng)價(jià)光生載流子的分離效果也是一個(gè)難題。而光電流測(cè)量技術(shù)就是一種有效探測(cè)光生載流子產(chǎn)生、復(fù)合以及輸運(yùn)的工具，進(jìn)而推測(cè)材料本身的光電響應(yīng)或光氣敏性能?；诖?，本文以氣相光電流測(cè)量為手段，致力于探究金屬氧化物半導(dǎo)體pn異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子分離效果以及氣固交互反應(yīng)的影響，進(jìn)而篩選出最優(yōu)的光氣敏材料，這對(duì)

3、光氣敏傳感器的實(shí)際應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義。
　　首先，基于組合材料學(xué)的思想，通過(guò)簡(jiǎn)單的球磨熱處理方法和絲網(wǎng)印刷技術(shù)，制備出了不同成分點(diǎn)的NiO/TiO2多孔膜器件。為了揭示氣體分子與復(fù)合體系中異質(zhì)結(jié)的交互作用，采用了在氣相條件下的光電流測(cè)量技術(shù)，在自己設(shè)計(jì)的高通量光電性能綜合測(cè)試平臺(tái)上，進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如測(cè)試了不同濃度、不同偏壓下的光電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pn異質(zhì)結(jié)能大幅度地提高該材料體系的光電流響應(yīng)（三個(gè)數(shù)量級(jí)

4、以上），其作用不僅是增強(qiáng)了本身的載流子分離效果，而且在甲醇?xì)夥罩幸材軓?qiáng)化其作為空穴捕獲劑的能力。為了能進(jìn)一步厘清各因數(shù)對(duì)光電流響應(yīng)的影響，基于載流子濃度這個(gè)物理量，建立了一個(gè)定量的評(píng)價(jià)公式，其結(jié)果也充分證明了pn結(jié)與甲醇?xì)怏w間的協(xié)同效應(yīng)。
　　鑒于以上結(jié)果，就設(shè)想，其除了對(duì)一般氣體敏感外，能否對(duì)一些急需探測(cè)的特定氣體有所響應(yīng)。于是，就選擇了在生物能源與醫(yī)學(xué)上都有廣泛應(yīng)用的乙醚（DEE）氣體作為環(huán)境目標(biāo)氣體，進(jìn)行了光氣敏性能測(cè)試。實(shí)

5、驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單一材料都對(duì)DEE沒(méi)什么光氣敏響應(yīng)。究其原因，卻并不一樣。對(duì)于TiO2而言，它對(duì)光很敏感，在紫外光的照射下，其體內(nèi)可以產(chǎn)生有用的光生電子-空穴對(duì)，但因金屬氧化物表面的選擇特性，使其對(duì)DEE氣體分子不能產(chǎn)生化學(xué)吸附而發(fā)生不了光氧化反應(yīng)。而對(duì)于NiO，正好相反，其表面可以化學(xué)吸附DEE氣體分子，但由于其寬禁帶對(duì)紫外光不敏感，導(dǎo)致體內(nèi)沒(méi)有促使光化學(xué)反應(yīng)的光生載流子。由此可知，NiO和TiO2的復(fù)合體系正好可以通過(guò)其間的異質(zhì)結(jié)作用而

6、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使其對(duì)DEE氣體分子有很好的氣敏性能。其機(jī)理是，在pn結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，TiO2價(jià)帶上的光生空穴可以轉(zhuǎn)移到NiO的價(jià)帶上，與其表面化學(xué)吸附的DEE氣體分子進(jìn)行光氧化反應(yīng)，而引起材料體系本身的電導(dǎo)發(fā)生變化，所以就應(yīng)該具有一定的光氣敏性能。在此過(guò)程中，一個(gè)是空穴的提供者，另一個(gè)則是空穴的接受者。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很好的證實(shí)了這一點(diǎn)，即此復(fù)合材料體系對(duì)DEE確有明顯的光電流響應(yīng)。這對(duì)今后怎樣設(shè)計(jì)特殊氣體傳感器有一定的參考價(jià)值。
　　綜

7、上所述，各種器件的光電流響應(yīng)曲線(xiàn)的測(cè)試實(shí)現(xiàn)了高通量。但是，其制備方法依然是傳統(tǒng)的球磨燒結(jié)法，耗時(shí)費(fèi)力。為了實(shí)現(xiàn)從制備到測(cè)量的高通量一體化，就改進(jìn)了傳統(tǒng)的制備工藝，采用簡(jiǎn)便快速的表面微滴注方法。即，在預(yù)先印制好的純TiO2材料器件上微滴注不同摩爾濃度的鎳鹽溶液，再通過(guò)高溫?zé)Y(jié)，以制備出不同成分配比的NiO/TiO2光電器件，并在甲醛和DEE氣體下測(cè)量其光電流響應(yīng)曲線(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其性能也有一定的提高。
　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證p型氧化物在光氣