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氧化物半导体自组装薄膜的气敏性能研究

作　者: 孙猛
导　师: 王天民
学　校: 北京航空航天大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 层层静电自组装 ZnO 气敏元件氧化物半导体复合薄膜
分类号: TN304.92
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

利用气敏元件对人们生产生活中产生的有毒有害气体作出快速准确的检测和监控是十分必要的。有效地控制元件材料的膜厚、微观结构、组成,进而使气敏元件减小体积、降低功耗、提高灵敏度、增加工作稳定性,将对于促使气敏元件更加微型化、智能化、多功能化和广泛应用具有重要的意义。本论文利用层层静电自组装法制备了具有较多连通孔洞的半导体颗粒膜及其气敏元件,实现了气敏元件的薄膜化,进而在改善和提高元件气敏性能方面进行了系统深入的研究,并对元件的气敏机理做了初步分析与探讨。论文的主要工作如下:利用醋酸锌和双氧水在太阳光光照的条件下反应制备了均匀、稳定的ZnO2溶胶,烧结促使ZnO2转变得到ZnO,并根据实验结果确定了其转变温度与转变过程,推演了反应方程。以此为基础发展了一种具有反应条件温和、环境友好、工艺简单、节能等特性的制备ZnO2和ZnO颗粒的“绿色工艺”,得到的ZnO2和ZnO颗粒分散性好、晶粒可控、纯度高、结晶度高。通常,ZnO溶胶是利用各类醇作为溶剂制备的,得到的ZnO溶胶颗粒带有很弱的电荷,无法采用静电自组装工艺制备多层膜,由于ZnO2溶胶颗粒带有充足的电荷,本论文先通过层层静电自组装工艺制备了ZnO2薄膜,再对所得薄膜退火处理得到ZnO自组装薄膜,并优化了自组装薄膜的工艺条件。制备了ZnO自组装薄膜气敏元件,通过调节制备参数可精确控制薄膜元件的层数,微观结构,厚度,得到了具有连通孔洞结构的薄膜气敏元件。测试了不同掺Al方式的ZnO气敏元件对多种还原性气体的气敏性能,表明自组装法制备的ZnO薄膜气敏元件比传统的厚膜元件具有更优异的气敏性能。并探讨了适合连通孔洞结构的ZnO自组装颗粒薄膜的气敏机理,建立了气敏模型。采用静电自组装技术制备了层层交替生长的复合氧化物半导体薄膜,具体制备了ZnO/SnO2,ZnO/TiO2两种复合薄膜,薄膜具有较好的交替生长结构。SnO2和TiO2在ZnO中的均匀掺杂有效的提高了薄膜元件的气敏性能。本论文用层层静电自组装法制备了氧化物半导体气敏元件,改变了传统厚膜气敏元件的微观结构、膜厚,得到了薄膜化的气敏元件,提高了元件的气敏性能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-19
第一章绪论  19-41
  1.1 层层静电自组装  19-31
    1.1.1 自组装材料的分类  19-22
      1.1.1.1 纳米管、线  21
      1.1.1.2 纳米团簇  21
      1.1.1.3 自组装薄膜  21-22
      1.1.1.4 孔洞材料  22
    1.1.2 自组装薄膜的分类  22-24
      1.1.2.1 Langmuir-Blodgett(LB)薄膜  22-23
      1.1.2.2 化学吸附自组装薄膜  23-24
      1.1.2.3 静电自组装薄膜  24
    1.1.3 静电自组装技术  24-31
      1.1.3.1 静电自组装原理及适用范围  25-26
      1.1.3.2 静电自组装成膜物质的种类  26-27
      1.1.3.3 影响静电自组装成膜的因素  27-28
      1.1.3.4 静电自组装膜表征方法  28-30
      1.1.3.5 静电自组装技术的应用  30-31
  1.2 金属氧化物半导体气敏传感器  31-40
    1.2.1 气敏传感器分类  31-33
    1.2.2 金属氧化物半导体气敏传感器的发展历程  33-34
    1.2.3 金属氧化物半导体气敏传感器的敏感机理  34-35
      1.2.3.1 表面吸附控制型  34-35
      1.2.3.2 体原子价态控制型  35
    1.2.4 半导体气体传感器的主要技术指标  35-36
      1.2.4.1 工作温度  35-36
      1.2.4.2 元件电阻  36
      1.2.4.3 灵敏度  36
      1.2.4.4 选择性  36
      1.2.4.5 响应－恢复时间  36
      1.2.4.6 稳定性  36
    1.2.5 掺杂对ZnO 基材料气敏性能的影响  36-38
      1.2.5.1 掺杂对金属氧化物半导体气敏性能影响的原理  36-37
      1.2.5.2 ZnO 掺杂种类  37-38
    1.2.6 气敏传感器的现状及发展趋势  38-40
  1.3 选题意义及研究内容  40-41
第二章 ZNO 自组装薄膜的制备  41-71
  2.1 实验部分  41-44
    2.1.1 实验材料及测试仪器  41-42
    2.1.2 ZnO_2 溶胶的制备  42
    2.1.3 基底的清洗和亲水处理  42-43
    2.1.4 自组装薄膜的制备  43-44
  2.2 ZnO_2 溶胶制备过程监测  44-46
  2.3 ZnO_2 和ZNO 的反应机理  46-49
  2.4 ZNO 和ZnO_2 的形貌与结构分析  49-55
    2.4.1 激光光散射粒度分析  49-50
    2.4.2 电境分析  50-52
    2.4.3 拉曼光谱分析  52-53
    2.4.4 红外光谱分析  53-55
  2.5 ZNO 自组装薄膜的测试  55-70
    2.5.1 ZnO 自组装薄膜成膜过程监测  55-57
    2.5.2 ZnO 自组装薄膜成膜参数优化  57-60
    2.5.3 ZnO 自组装薄膜形貌结构表征  60-70
  2.6 小结  70-71
第三章 ZNO 自组装薄膜的气敏性能研究  71-101
  3.1 实验部分  71-73
    3.1.1 实验材料及测试仪器  71-72
    3.1.2 ZnO 自组装薄膜气敏元件的制备  72-73
    3.1.3 ZnO 气敏元件的测试  73
  3.2 ZNO 气敏元件形貌结构分析  73-76
  3.3 ZNO：AL 自组装薄膜H_2 敏感性能研究  76-83
    3.3.1 ZnO：Al 自组装薄膜工艺参数对气敏性能的影响  76-82
    3.3.2 ZnO：Al 自组装薄膜气敏稳定性的测试  82-83
    3.3.3 ZnO：Al 自组装薄膜和厚膜元件气敏性能的对比  83
  3.4 ZNO：AL 自组装薄膜NH_3 敏感性能研究  83-86
    3.4.1 Al 掺杂浓度对ZnO：Al 自组装薄膜NH_3 敏感性能的影响  83-84
    3.4.2 层数对ZnO：Al 自组装薄膜NH_3 敏感性能的影响  84-85
    3.4.3 测试温度对ZnO：Al 自组装薄膜NH_3 敏感性能的影响  85-86
  3.5 AL－ZNO 自组装薄膜H_2 敏感性能研究  86-90
    3.5.1 浸渍次数对Al－ZnO 自组装薄膜H_2 敏感性能的影响  86-88
    3.5.2 浸渍时间对Al－ZnO 自组装薄膜H_2 敏感性能的影响  88-89
    3.5.3 测试温度对Al－ZnO 自组装薄膜H_2 敏感性能的影响  89-90
    3.5.4 Al－ZnO 自组装薄膜对H_2 的响应恢复时间  90
  3.6 ZNO 自组装薄膜的气敏机理研究  90-100
    3.6.1 半导体氧化物表面的基本状态  91-92
    3.6.2 ZnO 自组装薄膜的气敏机理和理论模型  92-100
      3.6.2.1 气体向ZnO 自组装薄膜内部扩散的理论模型  93-95
      3.6.2.2 气体分子和颗粒表面发生物理、化学吸附的机理  95-97
      3.6.2.3 多孔ZnO 自组装薄膜的电导模型  97-100
  3.7 小结  100-101
第四章 ZNO/TIO_2自组装薄膜的气敏性能研究  101-116
  4.1 实验部分  101-102
    4.1.1 实验材料及测试仪器  101
    4.1.2 TiO_2 溶胶制备  101
    4.1.3 ZnO/TiO_2 复合自组装薄膜气敏元件的制备和测试  101-102
  4.2 ZNO/TiO_2 复合薄膜气敏元件的形貌结构分析  102-111
  4.3 ZNO/TiO_2 复合薄膜元件的气敏性能研究  111-115
  4.4 小结  115-116
第五章 ZNO/SNO_2自组装薄膜的气敏性能研究  116-130
  5.1 实验部分  116
    5.1.1 实验材料及测试仪器  116
    5.1.2 SnO_2 溶胶制备  116
    5.1.3 ZnO/ SnO_2 复合自组装薄膜气敏元件的制备和测试  116
  5.2 ZNO/SnO_2 复合薄膜气敏元件的形貌结构分析  116-126
  5.3 ZNO/SnO_2 复合薄膜元件的气敏性能研究  126-129
  5.4 小结  129-130
结论  130-131
参考文献  131-145
攻读博士学位期间取得的研究成果  145-146
致谢  146-147
作者简介  147

氧化物半导体自组装薄膜的气敏性能研究

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