WO3基气敏传感器薄膜材料的性质及应用研究

论文摘要

微结构气敏传感器与电子鼻是近年来国际上传感器领域的研究热点,微结构气敏传感器是利用微电子、微机械加工和薄膜技术将加热测温电阻、测量电极和敏感薄膜集成一体的新一代气敏元件,具有低功耗、易集成、易阵列化、易智能化等优点,因此气敏薄膜材料的研究开发也成为一个热点。纳米三氧化钨是重要的半导体材料,在信息存储、变色窗、燃料电池、化学传感器等领域有着广泛的应用前景,成为目前最具开发潜力的材料之一。本论文采用反应磁控溅射法制备了WO3和Ti掺杂WO3薄膜,首次得到了p型钛掺杂WO3薄膜,并用溶胶凝胶法制备了WO3基Pd掺杂光学型传感器薄膜材料。主要研究内容及结果如下:1)采用XRD、XPS、AFM、分光光度计、Hall效应仪、台阶仪等对薄膜样品结构性能、光学性质、电学性质、表面型貌以及掺杂含量等进行了表征,并对纯WO3薄膜与Ti掺杂WO3薄膜的进行了比较。揭示了热处理温度与WO3薄膜晶相变化的关系,研究了掺杂对WO3气敏薄膜光学性质、电学性质等的影响,得到了WO3基气敏薄膜的较佳制备及热处理条件。2)采用透射谱和单谐振子模型获得了薄膜的的光学常数和光学带隙,计算结果表明WO3薄膜为间接带隙,原态WO3薄膜的折射率在可见光范围为2.3-2.0,光学带隙为3.14eV左右,并得到了声子能量。讨论了热处理和Ti掺杂对光学带隙的影响,从理论上验证了取得理想微结构气敏传感器WO3敏感薄膜的条件。3)详细研究了WO3和WO3掺杂薄膜的气敏响应特性,并首次利用WO3的变色特性研究了WO3基光学型传感器薄膜材料的特性。发现20%氧分压下制备的的样品,对氧化性气体NO2有较理想响应特性,最低测试浓度为0.1ppm,工作温度在150℃-180℃;而p型钛掺杂WO3薄膜对还原性气体LPG更敏感,响应曲线接近方波,但工作温度较高,在400℃左右。对适于非加电场合使用的WO3基光学型传感器薄膜材料的研究是本文的创新点之一,我们在实验基础上给出了基于WO3薄膜光学型传感器的气敏光学机理,而该机理分析方法适用于其它n型半导体气敏光学薄膜。上述研究中,对Ti掺杂P型WO3气敏薄膜的研究是本文的重要特色与创新,而n型半导体气敏光学薄膜的气敏机理分析方法对其它光学气敏薄膜的研究具有重要指导意义。在这些研究的基础上,我们也明确了后续的研究目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 金属氧化物气敏传感器
• 1.2.1 气敏传感器的分类
• 1.2.2 金属氧化物气敏传感器
• 1.2.3 几种主要的金属氧化物气敏材料的研究现状及发展趋势
• 1.3 气敏传感器的发展方向
• 1.3.1 气敏传感器的发展方向
• 3 薄膜气敏传感器'>1.3.2 电阻型WO₃薄膜气敏传感器
• 1.4 本课题研究的主要目的和内容
• 3 的晶体结构及性质'>2 WO₃的晶体结构及性质
• 2.1 引言
• 3 的晶体结构及基本性质'>2.2 WO₃的晶体结构及基本性质
• 2.2.1 三氧化钨的晶体结构
• 3 的物理性质'>2.2.2 WO₃的物理性质
• 3 的一般化学性质'>2.2.3 WO₃的一般化学性质
• 3 薄膜缺陷'>2.3 金属氧化物的点缺陷和WO₃薄膜缺陷
• 2.3.1 金属氧化物的点缺陷
• 2.3.2 薄膜生长模式与薄膜中的缺陷
• 3 薄膜中的缺陷'>2.3.3 WO₃薄膜中的缺陷
• 3 薄膜的变色特性及应用'>2.4 WO₃薄膜的变色特性及应用
• 3 的电致变色特性及其应用'>2.4.1 WO₃的电致变色特性及其应用
• 3 薄膜的光致变色特性及应用'>2.4.2 WO₃薄膜的光致变色特性及应用
• 3 薄膜的气致变色特性及应用'>2.4.3 WO₃薄膜的气致变色特性及应用
• 3 材料的其它应用'>2.4.4 WO₃材料的其它应用
• 2.5 本章小结
• 3 薄膜样品的制备'>3 WO₃薄膜样品的制备
• 3.1 引言
• 3.2 薄膜制备技术简介
• 3.2.1 真空蒸发沉积
• 3.2.2 溅射沉积
• 3.2.3 气相生长沉积
• 3.2.4 外延沉积
• 3.2.5 激光沉积
• 3.2.6 溶胶-凝胶技术
• 3.2.7 自组装与分子自组装技术
• 3.2.8 本研究选择的制膜工艺
• 3 薄膜'>3.3 反应磁控溅射制备WO₃薄膜
• 3.3.1 反应磁控溅射的基本原理
• 3.3.2 反应磁控溅射制备薄膜的优缺点
• 3 薄膜的主要因素'>3.3.3 影响反应磁控溅射沉积WO₃薄膜的主要因素
• 3 掺杂薄膜的制备'>3.4 WO₃掺杂薄膜的制备
• 3.4.1 气敏薄膜材料掺杂的意义
• 3 基掺杂气敏薄膜的开发进展'>3.4.2 WO₃基掺杂气敏薄膜的开发进展
• 3 掺杂薄膜的制备'>3.4.3 WO₃掺杂薄膜的制备
• 3.5 本章小结
• 3 薄膜的表征'>4 WO₃薄膜的表征
• 4.1 引言
• 4.2 X 射线衍射（XRD）分析
• 4.2.1 X 射线衍射的基本原理
• 3 薄膜样品的物相分析'>4.2.2 WO₃薄膜样品的物相分析
• 3 薄膜结构的影响'>4.3 热处理对WO₃薄膜结构的影响
• 4.3.1 热处理对薄膜厚度的影响
• 4.3.2 热处理对晶粒大小的影响
• 4.3.3 热处理对薄膜表面形貌的影响
• 4.4 透射光谱分析
• 4.5 X 光电子能谱（XPS）分析
• 4.5.1 X 光电子能谱基本原理
• 3 薄膜样品表面性质的XPS 谱分析'>4.5.2 WO₃ 薄膜样品表面性质的XPS 谱分析
• 4.6 本章小结
• 3 薄膜的光学性质'>5 WO₃薄膜的光学性质
• 5.1 引言
• 3 薄膜的光学常数'>5.2 WO₃薄膜的光学常数
• 3 薄膜光学常数提取方法'>5.2.1 WO₃薄膜光学常数提取方法
• 3 薄膜的光学常数'>5.2.2 WO₃薄膜的光学常数
• 3 薄膜的光学带隙'>5.3 WO₃薄膜的光学带隙
• 5.3.1 直接跃迁
• 5.3.2 间接跃迁
• 3 薄膜的光学带隙'>5.3.3 WO₃薄膜的光学带隙
• 3 薄膜光学性质的影响'>5.4 热处理对WO₃薄膜光学性质的影响
• 3 薄膜光学性质的影响'>5.5 TI 掺杂对WO₃薄膜光学性质的影响
• 5.6 本章小结
• 3薄膜与WO₃ 基薄膜的气敏响应特性'>6 WO₃薄膜与WO₃基薄膜的气敏响应特性
• 6.1 引言
• 6.2 测试系统的建立
• 3 薄膜的气敏响应特性'>6.3 纯WO₃薄膜的气敏响应特性
• 3 薄膜的电阻温度关系（R-T 曲线）'>6.3.1 纯WO₃ 薄膜的电阻温度关系（R-T 曲线）
• 3薄膜对氧化性气体NO₂ 的气敏效应'>6.3.2 纯WO₃薄膜对氧化性气体NO₂的气敏效应
• 3 薄膜对还原性气体LPG 的气敏效应'>6.3.3 纯WO₃ 薄膜对还原性气体LPG 的气敏效应
• 3 薄膜的响应特性'>6.4 TI 掺杂WO₃薄膜的响应特性
• 3 薄膜的R-T 曲线'>6.4.1 TI 掺杂WO₃ 薄膜的R-T 曲线
• 3 薄膜对还原性气体LPG 的气敏效应'>6.4.2 TI 掺杂WO₃ 薄膜对还原性气体LPG 的气敏效应
• 6.5 气敏机理
• 6.5.1 半导体金属氧化物气体传感器的敏感机理
• 3 薄膜气敏材料的敏感机理'>6.5.2 N 型WO₃薄膜气敏材料的敏感机理
• 3 薄膜气敏材料的敏感机理'>6.5.3 P 型WO₃薄膜气敏材料的敏感机理
• 3 薄膜光学型气敏传感器的敏感特性测试与分析'>6.6 WO₃薄膜光学型气敏传感器的敏感特性测试与分析
• 6.6.1 光学型薄膜气敏材料
• 3 掺钯薄膜光学气敏测试'>6.6.2 WO₃掺钯薄膜光学气敏测试
• 3 掺钯薄膜H2 敏感特性分析'>6.6.3 WO₃ 掺钯薄膜H2 敏感特性分析
• 3 薄膜气敏光学机理分析'>6.6.4 WO₃薄膜气敏光学机理分析
• 6.7 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：