掺杂及构建异质结改善In 2 O 3 纳米纤维的气敏性能研究
发布时间：2021-12-18 16:38
随着工业生产的进步和人类生活质量的提高,环境问题一直是全国乃至全世界最关心的话题之一。建立及时精确的气体环境监管机制以及建设环境物联网成为亟待解决的问题。气体传感器是气体检测系统的核心,从本质上讲,气体传感器是一种将某种气体的种类和浓度转化为对应电信号的转换器。目前,气体传感器在有毒、可燃、易爆、有机挥发化合物（organic volatile compounds,VOC）的检测领域有着广泛的应用,是环境物联网最基础的部分。高性能的气体传感器件能够提高气体信息采集和处理能力,提高实时预测事故的准确性,大幅减小重大事故发生。同时,还可以有效实现安全生产监督管理的电子化,变被动救灾为主动防灾,使安全生产科学化。其中,金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor,MOS）材料由于其制作成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长和检测电路结构简单等众多优点成为目前应用最为广泛的传感材料。MOS传感器在接触到待测气体时,由于气体分子在MOS材料表/界面的接触反应,涉及电荷转移、离子输运、相的生成和转化等步骤,导致传感器的电学性质发生可恢复的变化,利用这种变化从而有效...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
几种常见气体传感器的气体浓度传感范围
兰州大学博士学位论文掺杂及构建异质结改善In2O3纳米纤维的气敏性能研究5通过详细分析MOS基气体传感器的性能指标、敏感机理和影响传感器的主要因素等，针对性的提出提高In2O3基气体传感器的方法并进行实验论证、理论计算和机理分析，以拓展并丰富In2O3在气体传感器中的应用。1.2.3MOS基气体传感器的性能指标MOS基气体传感器通常通过以下几项性能指标，对其在实际应用中的优劣进行评估。（1）响应值（Response）：对于MOS基气体传感器而言，响应值反应了MOS材料在空气中与测试气体中的电阻变化程度。通常情况下，用两种气氛中的电阻比值来衡量。由于MOS材料根据其导电类型分为n型和p型，且测试气体的性质也有所不同（分为氧化性气体和还原性气体），响应值的具体定义有所不同。对于n型MOS材料，若待测气体具有还原性，响应值R=Ra/Rg，若测试气体具有氧化性，则响应值R=Rg/Ra；p型MOS材料与n型MOS材料相反，若待测气体具有还原性，响应值R=Rg/Ra，若测试气体具有氧化性，则响应值R=Ra/Rg。其中，Ra和Rg分别代表MOS材料在空气（air）和待测气体（gas）中的电阻值。图1-2典型的气体传感器响应值随温度变化的曲线（2）最佳工作温度：众所周知，MOS材料的物理和化学性质很大程度上取决于其工作温度。对于MOS基气体传感器，工作温度控制其反应动力学、电导率和载流子迁移率。传统的MOS基气体传感器通常在200-500°C的温度下才能正常工作，提供的热能是为了克服表面的氧化还原反应所需的活化能势垒。大多数情况下，MOS基气体传感器的响应值随着温度的升高先增大后减小，呈现出
兰州大学博士学位论文掺杂及构建异质结改善In2O3纳米纤维的气敏性能研究7前所共识的MOS基气体传感机制可分为两类，如图1-3所示[63]。一类是从相对微观的角度解释电学性质的变化，包括费米能级控制理论、晶界势垒控制理论和电子耗尽层（Electron-depletionlayer，EDL）/空穴积累层（Hole-accumulationlayer，HAL）理论等机制[64-65]。另一类理论是相对宏观的，其重点是材料与气体的关系。吸附/解吸附模型、体电阻控制机理和气体扩散控制机理都属于这类理论。这些理论使我们能够根据实际物理现象，利用现代材料分析技术更好地分析气敏反应过程。后一种模型也可以用来解释前一种理论中提到的一些物理原理，例如为什么能带移动和弯曲，或者为什么晶界势垒会改变。因此，本论文主要对第二类理论进行详细分析。图1-3金属氧化物半导体气敏机理的分类与总结早在20世纪30年代，研究人员就发现，当MOS材料与O2、CO等气体接触时，MOS的电导和功函数会发生变化[66]。作为目前使用最为广泛的气敏机理解释模型，吸附/解吸附模型是基于气体在材料表面的化学和物理吸附导致电荷
本文编号：3542781
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
几种常见气体传感器的气体浓度传感范围
兰州大学博士学位论文掺杂及构建异质结改善In2O3纳米纤维的气敏性能研究5通过详细分析MOS基气体传感器的性能指标、敏感机理和影响传感器的主要因素等，针对性的提出提高In2O3基气体传感器的方法并进行实验论证、理论计算和机理分析，以拓展并丰富In2O3在气体传感器中的应用。1.2.3MOS基气体传感器的性能指标MOS基气体传感器通常通过以下几项性能指标，对其在实际应用中的优劣进行评估。（1）响应值（Response）：对于MOS基气体传感器而言，响应值反应了MOS材料在空气中与测试气体中的电阻变化程度。通常情况下，用两种气氛中的电阻比值来衡量。由于MOS材料根据其导电类型分为n型和p型，且测试气体的性质也有所不同（分为氧化性气体和还原性气体），响应值的具体定义有所不同。对于n型MOS材料，若待测气体具有还原性，响应值R=Ra/Rg，若测试气体具有氧化性，则响应值R=Rg/Ra；p型MOS材料与n型MOS材料相反，若待测气体具有还原性，响应值R=Rg/Ra，若测试气体具有氧化性，则响应值R=Ra/Rg。其中，Ra和Rg分别代表MOS材料在空气（air）和待测气体（gas）中的电阻值。图1-2典型的气体传感器响应值随温度变化的曲线（2）最佳工作温度：众所周知，MOS材料的物理和化学性质很大程度上取决于其工作温度。对于MOS基气体传感器，工作温度控制其反应动力学、电导率和载流子迁移率。传统的MOS基气体传感器通常在200-500°C的温度下才能正常工作，提供的热能是为了克服表面的氧化还原反应所需的活化能势垒。大多数情况下，MOS基气体传感器的响应值随着温度的升高先增大后减小，呈现出
兰州大学博士学位论文掺杂及构建异质结改善In2O3纳米纤维的气敏性能研究7前所共识的MOS基气体传感机制可分为两类，如图1-3所示[63]。一类是从相对微观的角度解释电学性质的变化，包括费米能级控制理论、晶界势垒控制理论和电子耗尽层（Electron-depletionlayer，EDL）/空穴积累层（Hole-accumulationlayer，HAL）理论等机制[64-65]。另一类理论是相对宏观的，其重点是材料与气体的关系。吸附/解吸附模型、体电阻控制机理和气体扩散控制机理都属于这类理论。这些理论使我们能够根据实际物理现象，利用现代材料分析技术更好地分析气敏反应过程。后一种模型也可以用来解释前一种理论中提到的一些物理原理，例如为什么能带移动和弯曲，或者为什么晶界势垒会改变。因此，本论文主要对第二类理论进行详细分析。图1-3金属氧化物半导体气敏机理的分类与总结早在20世纪30年代，研究人员就发现，当MOS材料与O2、CO等气体接触时，MOS的电导和功函数会发生变化[66]。作为目前使用最为广泛的气敏机理解释模型，吸附/解吸附模型是基于气体在材料表面的化学和物理吸附导致电荷
本文编号：3542781
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