基于點(diǎn)缺陷反應(yīng)的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏選擇性方法學(xué)研究.pdf

1、目前，空氣污染正嚴(yán)重威脅著我們的生產(chǎn)和生存空間。要解決此問(wèn)題，首要任務(wù)便是如何對(duì)這些有毒、有害氣體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)并及時(shí)作出預(yù)警。金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氣體傳感器由于具有敏感性高、響應(yīng)時(shí)間快、制作成本低、工作壽命長(zhǎng)、易于集成陣列等優(yōu)點(diǎn)是目前針對(duì)空氣污染氣體檢測(cè)的首選之一。然而，MOS氣體傳感器的一個(gè)致命弱點(diǎn)就是較差的選擇性。針對(duì)這一難題，人們提出了很多方法來(lái)增強(qiáng)MOS氣體傳感器的選擇性，然而，這些方法都是基于工程學(xué)的角度去改善氣

2、體傳感器的選擇性，而沒(méi)能夠形成一種切實(shí)可行的理論方法用于指導(dǎo)傳感器選擇性的研究與設(shè)計(jì)。因此，尋找出氣體敏感過(guò)程中的反應(yīng)特性，然后從這些反應(yīng)特性出發(fā)，以方法學(xué)的角度去研究氣體敏感的選擇性是目前的迫切需求。
　　本文首先設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套氣敏材料高通量篩選平臺(tái)，主要用于MOS多孔膜的氣敏性能評(píng)價(jià)和敏感機(jī)制研究。該平臺(tái)可以在控制外場(chǎng)環(huán)境條件下，高通量表征氣敏材料時(shí)域空間下的氣敏響應(yīng)特性（R-t）和溫度域空間下的電阻—溫度特性（R-T）。為了

3、驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)試功能，我們基于氣敏材料高通量篩選平臺(tái)的R-t測(cè)試，深入地研究了La2O3修飾的SnO2納米晶多孔膜對(duì)甲醛的氣體敏感機(jī)制；基于氣敏材料高通量篩選平臺(tái)的R-T測(cè)試，建立了一種快速搜尋MOS氣體傳感器最佳工作溫度（OOT）的方法。然后，為了研究SnO2中氧空位陰離子缺陷在氣體敏感過(guò)程中反應(yīng)信息，我們基于缺陷化學(xué)理論，描述了溫度變化條件下，SnO2中單離化氧空位（SIOV）和雙離化氧空位（DIOV）在富氧、貧氧和還原性氣氛環(huán)境下的

4、反應(yīng)過(guò)程，并根據(jù)小極化子躍遷（SPH，Small polaron hopping）導(dǎo)電理論推導(dǎo)得到了缺陷反應(yīng)過(guò)程電子輸運(yùn)模型。與此同時(shí)，我們將理論模型與平臺(tái)測(cè)試得到的TEC（Temperature-dependent electrical conductivtiy）曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明我們推導(dǎo)得到的電子輸運(yùn)模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有較好的自洽性，并且得到了SnO2內(nèi)氧空位缺陷氣敏過(guò)程中反應(yīng)參數(shù)。為了研究MOS中金屬陽(yáng)離子缺陷的性質(zhì)和作用，

5、我們結(jié)合缺陷化學(xué)和SPH導(dǎo)電理論建立了p型和n型金屬離子摻雜SnO2的電子輸運(yùn)模型。與此同時(shí)，我們也通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法制備得到了p型摻雜（Li+，Cd2+，Al3+），等價(jià)摻雜（Ti4+）和n型摻雜（Nb5+，W6+）的SnO2納米晶多孔膜，并通過(guò)氣敏材料高通量篩選平臺(tái)得到了這些納米晶多孔膜在貧氧環(huán)境下的TEC曲線。結(jié)合推導(dǎo)得到電子輸運(yùn)模型和測(cè)試結(jié)果，我們對(duì)金屬陽(yáng)離子缺陷的產(chǎn)生、離化及其對(duì)SnO2缺陷結(jié)構(gòu)中電子的輸運(yùn)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。最

6、后，基于SnO2中氧空位陰離子缺陷和金屬陽(yáng)離子缺陷的理論研究基礎(chǔ)，我們以Cd2+摻雜SnO2為模型材料，深入研究了其內(nèi)部氧空位陰離子缺陷和金屬陽(yáng)離子缺陷的氣敏過(guò)程，并基于此提出了全缺陷氣敏機(jī)制，建立了一種基于SnO2基氣敏傳感器中點(diǎn)缺陷反應(yīng)的氣體辨別方法。同時(shí)，我們將該方法應(yīng)用于WO3氣敏傳感器的氣體辨別中，并對(duì)該套方法的可行性做了初步地探索?；谌毕輽C(jī)敏機(jī)制，我們從TEC速率譜中提取出點(diǎn)缺陷與氣體交互反應(yīng)的特征溫度TM，并得到了不同