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

1、金屬氧化物半導體(MOS)因其可以直接利用太陽能，而被廣泛應(yīng)用于氣體探測、光催化、以及能量存儲與轉(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吸附物間的交互作用而引起電導變化的性質(zhì)。眾所周知，半導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際應(yīng)用的研究重點。其中，最為關(guān)鍵的是要有足夠的效率，即到達材料表面并能發(fā)生光化學反應(yīng)的光生載流子數(shù)量

2、。實踐證明，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間的復合，它可以利用pn異質(zhì)結(jié)形成的內(nèi)建電場來分離光生電子-空穴對。然而，如何評價光生載流子的分離效果也是一個難題。而光電流測量技術(shù)就是一種有效探測光生載流子產(chǎn)生、復合以及輸運的工具，進而推測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量為手段，致力于探究金屬氧化物半導體pn異質(zhì)結(jié)對載流子分離效果以及氣固交互反應(yīng)的影響，進而篩選出最優(yōu)的光氣敏材料，這對

3、光氣敏傳感器的實際應(yīng)用有著重要的指導意義。
　　首先，基于組合材料學的思想，通過簡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的NiO/TiO2多孔膜器件。為了揭示氣體分子與復合體系中異質(zhì)結(jié)的交互作用，采用了在氣相條件下的光電流測量技術(shù)，在自己設(shè)計的高通量光電性能綜合測試平臺上，進行了一系列設(shè)計實驗，如測試了不同濃度、不同偏壓下的光電流隨時間變化曲線。實驗結(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)（三個數(shù)量級

4、以上），其作用不僅是增強了本身的載流子分離效果，而且在甲醇氣氛中也能強化其作為空穴捕獲劑的能力。為了能進一步厘清各因數(shù)對光電流響應(yīng)的影響，基于載流子濃度這個物理量，建立了一個定量的評價公式，其結(jié)果也充分證明了pn結(jié)與甲醇氣體間的協(xié)同效應(yīng)。
　　鑒于以上結(jié)果，就設(shè)想，其除了對一般氣體敏感外，能否對一些急需探測的特定氣體有所響應(yīng)。于是，就選擇了在生物能源與醫(yī)學上都有廣泛應(yīng)用的乙醚（DEE）氣體作為環(huán)境目標氣體，進行了光氣敏性能測試。實

5、驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單一材料都對DEE沒什么光氣敏響應(yīng)。究其原因，卻并不一樣。對于TiO2而言，它對光很敏感，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，但因金屬氧化物表面的選擇特性，使其對DEE氣體分子不能產(chǎn)生化學吸附而發(fā)生不了光氧化反應(yīng)。而對于NiO，正好相反，其表面可以化學吸附DEE氣體分子，但由于其寬禁帶對紫外光不敏感，導致體內(nèi)沒有促使光化學反應(yīng)的光生載流子。由此可知，NiO和TiO2的復合體系正好可以通過其間的異質(zhì)結(jié)作用而

6、優(yōu)勢互補，使其對DEE氣體分子有很好的氣敏性能。其機理是，在pn結(jié)內(nèi)電場的作用下，TiO2價帶上的光生空穴可以轉(zhuǎn)移到NiO的價帶上，與其表面化學吸附的DEE氣體分子進行光氧化反應(yīng)，而引起材料體系本身的電導發(fā)生變化，所以就應(yīng)該具有一定的光氣敏性能。在此過程中，一個是空穴的提供者，另一個則是空穴的接受者。實驗結(jié)果也很好的證實了這一點，即此復合材料體系對DEE確有明顯的光電流響應(yīng)。這對今后怎樣設(shè)計特殊氣體傳感器有一定的參考價值。
　　綜

7、上所述，各種器件的光電流響應(yīng)曲線的測試實現(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，耗時費力。為了實現(xiàn)從制備到測量的高通量一體化，就改進了傳統(tǒng)的制備工藝，采用簡便快速的表面微滴注方法。即，在預先印制好的純TiO2材料器件上微滴注不同摩爾濃度的鎳鹽溶液，再通過高溫燒結(jié)，以制備出不同成分配比的NiO/TiO2光電器件，并在甲醛和DEE氣體下測量其光電流響應(yīng)曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其性能也有一定的提高。
　　為了進一步驗證p型氧化物在光氣