TiO_2基氧化物半导体氧敏传感器的研究开发进展

综合介绍 TiO2基氧化物半导体氧敏传感器的研究发展历史和 TiO2材料的特性,比较了各 种氧敏机理、制备方法、传感器的氧敏特性,就制备方法－材料微观结构－氧敏性能关系中的几 个重要问题,进行了深入的探讨,并对今后的研究开发与产业化,结合本课题组的研究工作,提出 了几点建议。     

TiO2基氧化物半导体氧敏传感器的研究开发进展

综合介绍TiO2基氧化物半导体氧敏传感器的研究发展历史和TiO2材料的特性,比较了各种氧敏机理、制备方法、传感器的氧敏特性,就制备方法－材料微观结构－氧敏性能关系中的几个重要问题,进行了深入的探讨,并对今后的研究开发与产业化,结合本课题组的研究工作,提出了几点建议。     

纳米结构形貌二氧化钛的制备及其气敏响应

为获得高灵敏度的纳米结构感知元件，对二氧化钛的形貌调控进行了研究．结果表明，TiO2粉体经适当的水热处理可获得高比表面积的纳米TiO2形貌．SEM和XRD结果显示处理效果明显．将该形貌的纳米TiO2用于传感器原理型器件的制备，室温下对有机挥发性气氛显示出快速响应．这为高灵敏度化学传感器及其阵列的研发提供了一简便的材料制备途径。     

TiO2纳米管气敏材料的研究与应用

TiO2纳米管在气体传感、光电转换、光催化、光裂解等方面具有广阔的应用前景.在气体传感器领域,最新的研究数据表明:室温下通入1000×10-6H2,TiO2纳米管气体传感器的灵敏度高达108.7,这是迄今为止所有材料在任意温度下对任意气体的最大灵敏度.综述了TiO2纳米管气体传感器的研究进展,分析了TiO2纳米管的制备方法、微观结构以及TiO2纳米管气体传感器的性能和敏感机理,展望了TiO2纳米管气体传感器的发展方向.     

氧空位的引入对纳米TiO2光催化性能的影响及其研究进展

随着对TiO2研究的深入,人们逐渐意识到杂质或缺陷特别是氧空位在TiO2光催化体系中具有重要作用。综述了在TiO2中引入氧空位的主要方法,简要概括了氧空位对TiO2的可见光吸收、能带结构和光催化性能等方面产生的影响,并指出氧空位可控性的重要性以及TiO2光催化材料在未来应用的机遇和挑战。     

TiO2氧空位形成的影响因素

为了研究TiO2氧空位形成的影响因素,用管式电阻炉在空气、Ar及不同温度下对TiO2烧结.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对烧结TiO2样品的微观形貌、物相组成、元素及价态进行了表征,研究了烧结温度、烧结气氛和Ar+刻蚀对TiO2样品氧空位形成的影响.结果表明:相同气氛下,随着烧结温度的升高,TiO2氧空位浓度逐渐增大;相同温度下,惰性气氛有利于TiO2氧空位的产生;Ar+刻蚀有利于TiO2氧空位的形成.     

基于p-n导电转变的二氧化钛对CO高温感应性能的研究

研究了以金红石TiO2半导体材料为气敏材料的一氧化碳(CO)传感器在600~800℃之间的气敏性能.该传感器在测试温度600~700℃时对20~2000 mg/m3的CO(载气为氮氧混合物且氧气含量为2%~25%)表现出p型电导行为.随着测试温度从600℃升高至700℃,传感器的感应强度迅速下降到接近于1.当温度升高到750℃以上时,传感器再次出现对CO的感应强度并且表现出n型导电行为.随着温度升高到800℃,传感器对CO的n型感应信号进一步增强,表现出良好的高温感应性能.利用交流阻抗谱仪对该TiO2敏感材料的高温导电特性进行了研究,并初步讨论了TiO2在高温下对CO还原气氛的诱导导电性能变化的原因.     

新型氧敏薄膜材料

采用溶胶-凝胶工艺制备了用于汽车新型传感器的氧敏薄膜材料、包括过渡金属氧化物（MoOx、TiOx、CrOx）、钙钛矿型（SrTiO3/LaNiO3、LaNiO3、LaCrO3）和类钙钛矿型（La1-xMxNiO4）纳米粒子薄膜。结果表明,与传统氧传感器用的ZrO2、TiO2半导体材料相比,这三类材料的阻温系数小,敏感度高,响应速度快。     

磁控反应溅射TiO2薄膜的实验研究

应用直流和中频交流程序自动控制磁控溅射设备，利用金属Ti靶、纯Fe靶制备出了有一定厚度的质量较好的不同氧流量的Fe掺杂TiO2薄膜，TiO2薄膜被沉积在玻璃基底上。薄膜的制备用程序控制。通过在TiO2薄膜中形成一定的结构，并利用各种分析测试手段对其性能进行了测试，初步探讨了不同氧流量对TiO2薄膜的影响。实验表明程序自动控制不同氧流量Fe掺杂TiO2薄膜的特性有了很大改变。     

掺银TiO2薄膜的亲水特性

采用溶胶—凝胶法及浸渍提拉法在普通的载玻片上制得含不同掺银量的TiO2薄膜，通过对薄膜及相应粉体的XRD、XPS及薄膜致密度的测量，分析了银的掺杂量对TiO2薄膜亲水特性的影响。结果表明：TiO2薄膜中银的掺杂量≤0．635mol％时有利于TiO2薄膜亲水性能的改善；表面羟基和表面桥氧的含量对TiO2薄膜的亲水性能均有直接影响。     

拟用于可穿戴气敏传感器的二氧化钛/纳米纤维素复合膜制备及表征

使用纤维素酶和木聚糖酶(酶活比9:1)组成总酶活为10U/mL的复合酶液,以桉木浆为原料在50℃水解12h,获得平均长度约625nm、平均直径50nm的棒状纳米晶纤维素(NCC)。以所制备的NCC为原料,采用真空抽滤法获得了透明柔性NCC膜,其弹性模量为8178MPa,抗张强度为33MPa,透光度为90.86%,裂断应变为99%,表明NCC膜具有良好的力学性能和透光性,可用作柔性器件的基底材料。然后,进一步在NCC中加入气敏材料纳米二氧化钛(TiO2)胶体,采用真空抽滤法获得了TiO2/NCC复合膜。研究结果表明,添加少量TiO2(1%、2%、4%)的TiO2/NCC复合膜依然具有良好的透光度(90%以上)与物理性能(弹性模量4906MPa、抗张强度37MPa、裂断应变45%)。在室温下,TiO2/NCC复合膜对氨气具有气敏响应,以及良好的选择性和稳定性。这些研究结果为制备高性能的TiO2/NCC可穿戴气敏传感器的进一步研究奠定了良好基础。     

二氧化钛薄膜亲水性恢复研究

新制备的锐钛矿TiO2薄膜具有超亲水性,在使用和储存过程中超亲水性会降低.本文探究恢复亲水性的方法,采用热处理、等离子体辐照、紫外光照射等技术恢复锐钛矿TiO2薄膜亲水性,三种方法均能够有效地恢复薄膜表面的亲水性.热处理及紫外光照射操作简单而经过等离子体辐照的薄膜能保持更长时间的可见光致亲水性.     

Photoluminescence of dense nanocrystalline titanium dioxide thin films: effect of doping and thickness and relation to gas sensing

The photoluminescence (PL) of dense nanocrystalline (anatase) TiO(2) thin films is reported as a function of calcination temperature, thickness, and tungsten and nickel doping. The dependence of the optical absorption, Raman spectra, and PL spectra on heat treatment and dopants reveals the role of oxygen vacancies, crystallinity, and phase transformation in the performance of TiO(2) films used as gas sensors. The broad visible PL from defect states of compact and undoped TiO(2) films is found to be much brighter and less sensitive to the presence of oxygen than that of mesoporous films. The dense nanocrystalline grains and the nanoparticles comprising the mesoporous film are comparable in size, demonstrating the importance of film morphology and carrier transport in determining the intensity of defect photoluminescence. At higher calcination temperatures, the transformation to rutile results in the appearance of a dominant near-infrared peak. This characteristic change in the shape of the PL spectra demonstrates efficient capture of conduction band electrons by the emerging rutile phase. The W-doped samples show diminished PL with quenching on the red side of the emission spectrum occurring at lower concentration and eventual disappearance of the PL at higher W concentration. The results are discussed within the context of the performance of the TiO(2) thin films as CO gas sensors and the chemical nature of luminescent defects.     

Ti靶及TiO2靶溅射TiO2薄膜微观形貌、结构及光学性质研究

利用射频磁控溅射技术通过Ti靶及TiO2靶在氩氧气氛中同时溅射制备TiO2薄膜,并对所得的样品进行不同温度的退火处理。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱和吸收谱研究了不同的靶材及退火温度对TiO2薄膜晶体结构、微观形貌及光学性质的影响。结果表明:由于靶材的不同,Ti靶溅射时氧分压较低,造成薄膜中存在大量的氧缺陷,晶相发育不完善,颗粒相比TiO2靶溅射时较小,从XRD和拉曼光谱来看,Ti靶溅射得到的TiO2薄膜更有利于金红石相的形成。薄膜的透过率随退火温度的升高而降低,TiO2靶材溅射的薄膜的光学带隙随温度升高而明显降低,而Ti靶得到的薄膜的光学带隙对退火温度的依赖关系不明显。     

氩等离子体处理增强TiO_2∶Er/p~+-Si异质结器件的电致发光

在我们以前的工作[1]中,报道了基于重掺硼硅片(p~+-Si)上掺Er的TiO_2(TiO_2∶Er)薄膜的TiO_2∶Er/p~+-Si异质结器件的电致发光。本文研究了TiO_2∶Er薄膜的氩(Ar)等离子体处理对TiO_2∶Er/p~+-Si异质结器件电致发光的影响。研究发现:Ar等离子体处理使TiO_2∶Er/p~+-Si异质结器件与Er3+离子相关的可见和近红外电致发光都得到了显著的增强,同时也增强了与TiO_2基体中氧空位相关的电致发光。这是由于Ar等离子体处理显著提高了TiO_2∶Er薄膜中的氧空位浓度,不但增强了与氧空位相关的电致发光,而且增强了以氧空位为敏化中心的从TiO_2基体向Er3+离子的能量传递,从而增强了Er3+离子的发光。     

Photocatalytic Property of TiO2 Films Deposited by Pulsed DC Magnetron Sputtering

TiO2 thin films were prepared by DC magnetron sputtering with the oxygen flow rate higher than the threshold. The film deposited for 5 h was of anatase phase with a preferred orientation along the <220> direction, but the films deposited for 2 and 3 h were amorphous. The transmittance and photocatalytic activity of the TiO2 films increased constantly with increasing film thickness. When the annealing temperature was lower than 700℃, only anatase grew in the TiO2 film. TiO2 phase changed from anatase to rutile when the annealing temperature was above 800℃. The photocatalytic activity decreased with increasing annealing temperature.