硫化鉛膠體量子點薄膜氣敏特性與機(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，利用低維納米材料的特殊活性實現(xiàn)室溫氣體檢測成為了氣體傳感器研究領(lǐng)域的熱點。膠體量子點是穩(wěn)定分散在溶液中的無機(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，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，在室溫下采用簡便的旋涂法成膜，以無

2、機(jī)配體置換為手段，構(gòu)建了“量子點+無機(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薄膜電阻的室溫氣敏效應(yīng)，并結(jié)合第一性原理理論計算初步探討了氣敏機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了量子點微觀結(jié)構(gòu)和無機(jī)配體對硫化鉛量子點氣敏特性的影響；最后利用硫化鉛膠體量子點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.在硫化鉛量子點成膜過程中，采用無機(jī)鹽溶液（NaNO2）對其進(jìn)

3、行表面修飾，通過配體置換去除包裹在量子點表面的長鏈油酸，提高載流子輸運和增強(qiáng)氣體吸附，構(gòu)建出“量子點+無機(jī)配體”氣敏材料新結(jié)構(gòu)，室溫下對50 ppm NO2氣體具有高靈敏度、快速響應(yīng)及恢復(fù)速度，整套工藝步驟簡單、條件溫和。
　　2.采用第一性原理建立了NO2在硫化鉛量子點表面的吸附模型，NO2與O2在硫化鉛量子點表面競爭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。理論計算結(jié)果表明NO2分子是通過原子氧與硫化鉛量子點表面

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.通過量子點合成及其薄膜制備工藝條件的控制，調(diào)控了硫化鉛量子點薄膜的微觀結(jié)構(gòu)并優(yōu)化了對NO2的室溫氣敏特性。通過量子點合成溫度的調(diào)控并結(jié)合冷水浴快速冷卻手段，調(diào)控了硫化鉛量子點的尺寸與晶面組成，當(dāng)（200）晶面所占比例較高時，PbS量子點對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。通過上述調(diào)控手段，最終將器件在室溫下對50 ppm NO2的靈敏度提升至90，響應(yīng)恢復(fù)時間分別為1 s和25 s；
　　4.不同無機(jī)配體置換的對比研究表明，無機(jī)配體種類和工作溫度對 PbS量子點的氣敏選擇性都有著重要影響。NaNO2處理的PbS量子點薄膜在135oC時對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為無機(jī)鹽進(jìn)行配體置換，可在硫化鉛量子點表面引入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。以金為電極時，在不同的彎曲角度（0~70°）下，器件對NO2的室溫響應(yīng)恢復(fù)特性得到了較