硫化鉛膠體量子點(diǎn)薄膜氣敏特性與機(jī)理研究.pdf

1、半導(dǎo)體氣體傳感器在環(huán)境保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著重要的用途，降低其工作溫度并制作成柔性器件將促進(jìn)低成本、便攜式及智能化氣體傳感技術(shù)發(fā)展。近年來(lái)，利用低維納米材料的特殊活性實(shí)現(xiàn)室溫氣體檢測(cè)成為了氣體傳感器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。膠體量子點(diǎn)是穩(wěn)定分散在溶液中的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶，具有尺寸小、比表面積大、活性高和可室溫成膜的特點(diǎn)，是制備納米氣體傳感器的理想材料之一。本論文采用熱注入法制備出了硫化鉛膠體量子點(diǎn)，在室溫下采用簡(jiǎn)便的旋涂法成膜，以無(wú)

2、機(jī)配體置換為手段，構(gòu)建了“量子點(diǎn)+無(wú)機(jī)配體”氣敏材料新結(jié)構(gòu)，據(jù)此發(fā)現(xiàn)了硫化鉛膠體量子點(diǎn)薄膜電阻的室溫氣敏效應(yīng)，并結(jié)合第一性原理理論計(jì)算初步探討了氣敏機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了量子點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)和無(wú)機(jī)配體對(duì)硫化鉛量子點(diǎn)氣敏特性的影響；最后利用硫化鉛膠體量子點(diǎn)良好的室溫成膜性在紙襯底上制作出了抗彎曲疲勞特性優(yōu)的柔性氣體傳感器。所得到的主要結(jié)論及創(chuàng)新性成果可歸結(jié)如下：
　　1.在硫化鉛量子點(diǎn)成膜過(guò)程中，采用無(wú)機(jī)鹽溶液（NaNO2）對(duì)其進(jìn)

3、行表面修飾，通過(guò)配體置換去除包裹在量子點(diǎn)表面的長(zhǎng)鏈油酸，提高載流子輸運(yùn)和增強(qiáng)氣體吸附，構(gòu)建出“量子點(diǎn)+無(wú)機(jī)配體”氣敏材料新結(jié)構(gòu)，室溫下對(duì)50 ppm NO2氣體具有高靈敏度、快速響應(yīng)及恢復(fù)速度，整套工藝步驟簡(jiǎn)單、條件溫和。
　　2.采用第一性原理建立了NO2在硫化鉛量子點(diǎn)表面的吸附模型，NO2與O2在硫化鉛量子點(diǎn)表面競(jìng)爭(zhēng)吸附引起類受主表面態(tài)密度的增加，揭示了室溫氣敏效應(yīng)起源。理論計(jì)算結(jié)果表明NO2分子是通過(guò)原子氧與硫化鉛量子點(diǎn)表面

4、的Pb位相連的，起到受主摻雜作用，而且具有適中的吸附能（略高于O2），因此能引起p型硫化鉛薄膜電阻下降，而且在排氣階段氣體也易于脫附，從而具備較高的靈敏度和快速響應(yīng)與恢復(fù)特性。
　　3.通過(guò)量子點(diǎn)合成及其薄膜制備工藝條件的控制，調(diào)控了硫化鉛量子點(diǎn)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)并優(yōu)化了對(duì)NO2的室溫氣敏特性。通過(guò)量子點(diǎn)合成溫度的調(diào)控并結(jié)合冷水浴快速冷卻手段，調(diào)控了硫化鉛量子點(diǎn)的尺寸與晶面組成，當(dāng)（200）晶面所占比例較高時(shí)，PbS量子點(diǎn)對(duì)NO2的室

5、溫靈敏度更高，可能與其表面缺陷更高有關(guān)。此外，適當(dāng)降低量子點(diǎn)旋涂成膜的轉(zhuǎn)速有利于獲得微觀形貌更為疏松的薄膜，可促進(jìn)氣體吸附和擴(kuò)散。通過(guò)上述調(diào)控手段，最終將器件在室溫下對(duì)50 ppm NO2的靈敏度提升至90，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間分別為1 s和25 s；
　　4.不同無(wú)機(jī)配體置換的對(duì)比研究表明，無(wú)機(jī)配體種類和工作溫度對(duì) PbS量子點(diǎn)的氣敏選擇性都有著重要影響。NaNO2處理的PbS量子點(diǎn)薄膜在135oC時(shí)對(duì)H2S氣體擇優(yōu)敏感，且呈n型響應(yīng)特

6、征，進(jìn)一步采用Pb(NO3)2為無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行配體置換，可在硫化鉛量子點(diǎn)表面引入Pb而起到n型遠(yuǎn)程摻雜作用，本征n型摻雜濃度和氧吸附能力隨鉛硫比提高而增大，對(duì)50 ppm H2S的靈敏度由2389提高到4218。
　　5.采用普通便簽紙作為柔性襯底替代陶瓷剛性襯底，制備出了基于硫化鉛膠體量子點(diǎn)薄膜的柔性氣敏器件，具有輕薄短小、成本低、柔韌性好的特點(diǎn)。以金為電極時(shí)，在不同的彎曲角度（0~70°）下，器件對(duì)NO2的室溫響應(yīng)恢復(fù)特性得到了較