基于點缺陷反應的金屬氧化物半導體氣敏選擇性方法學研究.pdf

1、目前，空氣污染正嚴重威脅著我們的生產(chǎn)和生存空間。要解決此問題，首要任務便是如何對這些有毒、有害氣體進行快速、準確地檢測并及時作出預警。金屬氧化物半導體（MOS）氣體傳感器由于具有敏感性高、響應時間快、制作成本低、工作壽命長、易于集成陣列等優(yōu)點是目前針對空氣污染氣體檢測的首選之一。然而，MOS氣體傳感器的一個致命弱點就是較差的選擇性。針對這一難題，人們提出了很多方法來增強MOS氣體傳感器的選擇性，然而，這些方法都是基于工程學的角度去改善氣

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

3、驗證平臺的測試功能，我們基于氣敏材料高通量篩選平臺的R-t測試，深入地研究了La2O3修飾的SnO2納米晶多孔膜對甲醛的氣體敏感機制；基于氣敏材料高通量篩選平臺的R-T測試，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程中反應信息，我們基于缺陷化學理論，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、反應過程，并根據(jù)小極化子躍遷（SPH，Small polaron hopping）導電理論推導得到了缺陷反應過程電子輸運模型。與此同時，我們將理論模型與平臺測試得到的TEC（Temperature-dependent electrical conductivtiy）曲線進行擬合，結果表明我們推導得到的電子輸運模型與實驗測試結果具有較好的自洽性，并且得到了SnO2內(nèi)氧空位缺陷氣敏過程中反應參數(shù)。為了研究MOS中金屬陽離子缺陷的性質和作用，

5、我們結合缺陷化學和SPH導電理論建立了p型和n型金屬離子摻雜SnO2的電子輸運模型。與此同時，我們也通過實驗的方法制備得到了p型摻雜（Li+，Cd2+，Al3+），等價摻雜（Ti4+）和n型摻雜（Nb5+，W6+）的SnO2納米晶多孔膜，并通過氣敏材料高通量篩選平臺得到了這些納米晶多孔膜在貧氧環(huán)境下的TEC曲線。結合推導得到電子輸運模型和測試結果，我們對金屬陽離子缺陷的產(chǎn)生、離化及其對SnO2缺陷結構中電子的輸運特性進行了系統(tǒng)地研究。最

6、后，基于SnO2中氧空位陰離子缺陷和金屬陽離子缺陷的理論研究基礎，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離子缺陷的氣敏過程，并基于此提出了全缺陷氣敏機制，建立了一種基于SnO2基氣敏傳感器中點缺陷反應的氣體辨別方法。同時，我們將該方法應用于WO3氣敏傳感器的氣體辨別中，并對該套方法的可行性做了初步地探索?；谌毕輽C敏機制，我們從TEC速率譜中提取出點缺陷與氣體交互反應的特征溫度TM，并得到了不同