基于點缺陷反應(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。要解決此問題，首要任務(wù)便是如何對這些有毒、有害氣體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地檢測并及時作出預(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(xué)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(dǎo)傳感器選擇性的研究與設(shè)計。因此，尋找出氣體敏感過程中的反應(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(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(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(jìn)行擬合，結(jié)果表明我們推導(dǎo)得到的電子輸運模型與實驗測試結(jié)果具有較好的自洽性，并且得到了SnO2內(nèi)氧空位缺陷氣敏過程中反應(yīng)參數(shù)。為了研究MOS中金屬陽離子缺陷的性質(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(jié)合推導(dǎo)得到電子輸運模型和測試結(jié)果，我們對金屬陽離子缺陷的產(chǎn)生、離化及其對SnO2缺陷結(jié)構(gòu)中電子的輸運特性進(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(yīng)的氣體辨別方法。同時，我們將該方法應(yīng)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(yīng)的特征溫度TM，并得到了不同