In2O3复合薄膜的制备及其气敏性研究

论文摘要

半导体材料在气敏传感器中占着重要的地位。与其他敏感材料相比,半导体气敏材料因对光、热、压力、磁场、辐射、湿度、气体、离子等都能够响应,并能以电信号的形式输出,而对制作各种传感器有着天然的优越性。目前,传感器向微型化、集成化、多功能化、表面界面化,精密化及大生产化的方向发展。而半导体工艺技术具有已经成熟的优势,因此,半导体传感器在整个传感器领域占有越来越重要的地位,在传感器领域中得到广泛的应用。本论文把握半导体材料的优越性与光波导化学传感器的特点,将In2O3及其掺杂物作为敏感试剂,对挥发性有机蒸汽进行了气敏性研究。本论文由以下几个部分组成的:第一章为绪论部分。综述了半导体材料及其在传感器中的应用,传感器技术概述,气体传感器及其分类,介绍了光波导技术及光波导传感器。最后提出了课题来源及论文研究工作内容。第二章为光波导理论,主要介绍了光的传播,光波导技术在传感器中的应用,平面波导的结构及光波的传播方式,平面光波导中的光耦合,光波导传感原理（倏逝波传感原理）,以及玻璃光波导的制作技术等方面的内容。第三章为In2O3纳米薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究。通过溶胶凝胶法制备出In2O3粉末,用X-衍射对样品进行表征。采用提拉法在锡掺杂玻璃光波导表面制备In2O3薄膜,研制出In2O3薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,检测了对二甲苯气体的气敏性。气体对敏感薄膜光学参数的影响来解释了敏感机理。实验结果表明该元件对二甲苯具有较好的气敏性,在常温下该敏感元件能够检测到的二甲苯蒸气的最低浓度是1×10-6（体积分数）。第四章为NiO- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究。第三章的基础上对In2O3敏感薄膜进行了改性:掺杂剂的掺杂量量不同,敏感元件对不同气体的选择性和灵敏度也不同。本章将NiO作为掺杂剂,制备掺杂量不同的NiO- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,通过实验确定最佳掺杂量。制备出最佳掺杂量的NiO- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,检测了对二甲苯、苯乙烯、氯苯等气体的气敏性。实验结果表明,该元件对浓度为1×10-4（体积分数）的二甲苯,氯苯和苯乙烯蒸汽具有良好的响应。该敏感元件能够检测到的二甲苯和苯乙烯蒸气的最低浓度是1×10-7（体积分数）,能够检测到的氯苯蒸汽的最低浓度是1×10-5（体积分数）。第五章为Fe2O3- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究。掺杂剂不同,敏感元件对气体的选择性和灵敏度也不同。本章将Fe2O3作为掺杂剂,制备掺杂量不同的Fe2O3- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,通过实验确定最佳掺杂量。制备出最佳掺杂量的Fe2O3- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,检测了对二甲苯气体的气敏性。实验结果表明,该敏感元件能够检测到的二甲苯蒸气的最低浓度是1×10-6（体积分数）。第六章为La2O3- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究。稀土纳米材料不仅具有一般纳米材料的特性,还具有独特的性质。本章将La2O3作为掺杂剂,制备掺杂量不同的La2O3- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,通过实验确定最佳掺杂量。制备出最佳掺杂量的NiO- In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,检测了对二甲苯、苯乙烯、氯苯等气体的气敏性。实验结果表明,该敏感元件能够检测到的二甲苯,氯苯和苯乙烯蒸气的最低浓度是1×10-4（体积分数）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1.1 半导体材料及其在传感器中的应用
• 1.2 传感器的概述
• 1.2.1 传感器的分类
• 1.2.2 气体传感器
• 1.2.2.1 气体传感器的分类
• 1.2.2.2 半导体氧化物型气体传感器
• 1.2.2.3 接触燃烧式气体传感器
• 1.2.2.4 红外气体传感器
• 1.3 光波导技术及光波导传感器
• 1.3.1 光波导技术的发展
• 1.3.2 光波导传感器的特点
• 1.3.3 光波导传感器的分类
• 1.3.3.1 表面等离子体共振性光波导传感器
• 1.3.3.2 平面薄膜光波导传感器
• 1.4 课题来源及论文工作
• 第二章 光波导理论
• 2.1 光的传播
• 2.2 光波导基础知识
• 2.2.1 光波导技术在传感器中的应用
• 2.2.2 玻璃光波导的制作技术
• 2.3 平面波导的结构及光波的传播方式
• 2.4 古斯-汉欣位移
• 2.5 光波导的传感原理
• 2.6 平面光波导中的光耦合
• 2.6.1 棱镜耦合
• 2.6.2 光栅耦合
• 2O₃纳米薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究'>第三章 In₂O₃纳米薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和仪器
• 3.2.2 敏感薄膜的制备
• 3.2.3 检测系统
• 3.2.4 标准气体的配制
• 3.3 结构与讨论
• 2O₃ 薄膜的XRD 谱图分析'>3.3.1 In₂O₃ 薄膜的XRD 谱图分析
• 3.3.2 薄膜的吸光度变化
• 3.3.3 传感元件的气敏性
• 3.3.3.1 选择性研究
• 3.3.3.2 二甲苯气体的响应
• 3.3.3.3 检测气体原理
• 3.4 小结
• 20₃复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究'>第四章 NIO- IN₂0₃复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 2O₃ 复合薄膜的制备'>4.2.2 NiO- In₂O₃复合薄膜的制备
• 4.3 结构与讨论
• 2O₃ 复合薄膜的选择'>4.3.1 NiO- In₂O₃复合薄膜的选择
• 2O₃ 复合薄膜的表征'>4.3.2 NiO- In₂O₃复合薄膜的表征
• 2O₃复合薄膜的电子能谱图'>4.3.2.1 NiO- In₂O₃复合薄膜的电子能谱图
• 2O₃复合薄膜的红外图'>4.3.2.2 NiO- In₂O₃复合薄膜的红外图
• 2O₃复合薄膜的吸光度变化'>4.3.2.3 NiO- In₂O₃复合薄膜的吸光度变化
• 2O₃ 复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导气敏元件的气敏性研究'>4.3.3 NiO- In₂O₃复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导气敏元件的气敏性研究
• 4.3.3.1 选择性研究
• 4.3.3.2 气敏元件对二甲苯，氯苯和苯乙烯蒸汽的响应曲线
• 4.4 小结
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究'>第五章 Fe₂0₃- In₂O₃复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和仪器
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜的制备'>5.2.2 Fe₂0₃- In₂O₃复合薄膜的制备
• 5.3 结果与讨论
• 20₃- In₂O₃复合薄膜的选择'>5.3.1 Fe₂0₃- In₂O₃复合薄膜的选择
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜的表征'>5.3.2 Fe₂0₃- In₂O₃复合薄膜的表征
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜的电子能谱图'>5.3.2.1 Fe₂0₃- In₂O₃复合薄膜的电子能谱图
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜的XRD 图'>5.3.2.2 Fe₂0₃- In₂O₃ 复合薄膜的XRD 图
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜的气敏性研究'>5.3.3 Fe₂0₃- In₂O₃复合薄膜的气敏性研究
• 5.3.3.1 气敏元件的吸光度变化
• 5.3.3.2 传感元件的气敏性
• 5.4 小结
• 20₃- In₂O₃复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究'>第六章La₂0₃- In₂O₃复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导的制备及其气敏性研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂和仪器
• 20₃- In₂O₃ 复合薄膜的制备'>6.2.2 La₂0₃- In₂O₃复合薄膜的制备
• 6.3 结果与讨论
• 20₃- In₂O₃复合薄膜的表征'>6.3.1 La₂0₃- In₂O₃复合薄膜的表征
• 20₃- In₂O₃复合薄膜的电子能谱图'>6.3.1.1 La₂0₃- In₂O₃复合薄膜的电子能谱图
• 20₃- In₂O₃复合薄膜的XRD 图'>6.3.1.2 La₂0₃- In₂O₃复合薄膜的XRD 图
• 20₃- In₂O₃复合薄膜的气敏性研究'>6.3.2 La₂0₃- In₂O₃复合薄膜的气敏性研究
• 20₃-In₂O₃复合薄膜的选择'>6.3.2.1 La₂0₃-In₂O₃复合薄膜的选择
• 20₃-In₂O₃复合薄膜的吸光度变化'>6.3.2.2 La₂0₃-In₂O₃复合薄膜的吸光度变化
• 6.3.2.3 传感元件的气敏性
• 6.4 小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 研究生期间发表论文
• 致谢