锐钛矿型TiO2(101)面吸附CO2分子的光学气敏传感机理

对金属氧化物光学气敏传感材料TiO2的探索与应用是当前研究的热点问题。采用基于密度泛函理论(DFT)中的平面波超软赝势方法, 模拟计算CO2分子在锐钛矿型TiO2(101)表面的吸附行为, 对吸附能, 吸附距离, 电子态密度以及光学性质进行分析。结果表明: CO2分子在含O空位表面的吸附效果优于无氧空位表面, 且表面O空位的浓度越高, 吸附效果越明显;分子平行于表面放置模型的吸附能为正值, 吸附后的结构稳定, 且以O端吸附为主, 为此, 分子平行于表面放置O端吸附于含两个O空位表面为最可能吸附模型;对电子态密度分析发现, 当最佳模型吸附稳定后, 含O空位表面为P型杂质, 又有CO2分子中的2p电子掺入, 在费米能级附近出现新峰值, 改善了TiO2材料的光学性质, 体现出较好的光学气敏传感特性。     

金红石相TiO_2(110)面吸附H_2S分子光学气敏效应的微观机制与特性

光学气敏材料吸附气体分子后导致光学性质发生变化,运用这一原理来检测环境中的气体成分,称为光学气敏效应。采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附H2S分子的微观特性,计算了TiO2(110)表面吸附能、电荷密度、态密度和光学性质的变化。结果表明,TiO2最稳定的表面是终止于二配位O原子的(110)面,只有含有氧空位的表面才能稳定吸附H2S,且氧空位比例越高,越有助于H2S吸附于表面;表面吸附H2S以水平吸附方式为主,在氧空位比例达到33%时,吸附能为0.7985eV;吸附的实质是表面氧空位具有氧化性,氧化了H2S分子。在可见光400~760nm范围内,存在氧空位的TiO2(110)表面吸附H2S后都可改善表面的光学性质。氧空位缺陷浓度越高,改善材料对可见光的吸收和反射能力越强,光学气敏响应能力越佳。     

Ce-N共掺锐钛矿TiO2(001)取向电子结构和光学性质

采用第一性原理研究了Ce和N共掺杂锐钛矿TiO_2的稳定性、电子结构和光学性质。结果表明在锐钛矿TiO_2中Ce倾向于间隙掺杂,而N更倾向于O替位掺杂;Ce单掺杂和Ce-N共掺杂都能使TiO_2带隙宽度减小,同时N原子还能在价带顶引入浅受主能级,有利于可见光的吸收和阻止光生载流子-空穴复合;Ce单掺杂和Ce-N共掺杂锐钛矿TiO_2(001)取向都满足光催化制氢条件,因此都具有良好的光催化特性。综合分析带边位置和吸收光谱发现Ce-N共掺杂能有效提高锐钛矿TiO_2(001)取向的光催化制氢能力。     

掺杂纳米SnO2气敏传感器的研究进展

介绍了半导体气敏传感器的发展历史和掺杂纳米SnO2气敏传感器的特性与应用;详细分析了掺杂金属单质、金属氧化物和稀土元素对SnO2气敏性的影响,通过掺杂可以显著改善其对特定气体的灵敏度、稳定性和选择性等参数;利用元件表面的氧吸附理论分析掺杂纳米SnO2的气敏机理;展望了SnO2气敏传感器的发展前景.     

掺杂纳米SnO2气敏传感器的研究进展

介绍了半导体气敏传感器的发展历史和掺杂纳米SnO2气敏传感器的特性与应用；详细分析了掺杂金属单质、金属氧化物和稀土元素对SnO2气敏性的影响，通过掺杂可以显著改善其对特定气体的灵敏度、稳定性和选择性等参数；利用元件表面的氧吸附理论分析掺杂纳米SnO2的气敏机理；展望了SnO2气敏传感器的发展前景。     

SnO_2基CO传感器敏感膜的电阻变化机理北大核心

应用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,并借助Materials Studio软件中Castep模块建立了CO与SnO_2薄膜(110)面的吸附模型,最终确定了Pd掺杂的与纯净的SnO_2(110)面的最佳吸附位置分别为O_(2C)和Sn_(5C),吸附能分别为-1.842 5 eV和-0.533 3 eV。在此基础上,通过分析吸附体系电子态密度(DOS)及差分电荷密度的变化,阐明了SnO_2基CO气体传感器敏感膜的微观电阻变化机理及利用Pd掺杂能够改善气敏性能的原因。最后实验表明,Pd掺杂后SnO_2薄膜最佳工作温度由275℃降至200℃,灵敏度提高到30.1,验证了理论分析的结果。     

基于密度泛函理论的单层MoS2纳米材料气敏性能研究

针对由于本征单层二硫化钼纳米材料气敏性能差故不能用作气敏探测的问题,文中采用铝原子替位掺杂材料表面硫原子的方法,改善了材料表面无悬挂键的固有缺陷,从而提升了气敏性。通过对基底进行形成能和电子结构的计算,发现了材料导电性能的提升并证实了掺杂处理实验的可操作性。对其表面进行气体分子的吸附计算的结果显示材料的气敏性能获得极大提升,尤其对于氨气分子,吸附能达到-2.31 eV,电子转移提升至0.38e,吸附长度减小至1.978 ?,证明材料对氨气具有良好的选择性。     

Pd掺杂SnO2气敏薄膜XPS分析及其气敏性能研究

分别在氧气和氩气气氛下,于纯SnO<,2>气敏薄膜上溅射金属Pd制备了Pd掺杂SnO<,2>,气敏薄膜.利用XPS分析了溅射气氛和老化处理对该气敏薄膜表面元素含量变化的影响.结果表明:溅射气氛和老化处理对气敏薄膜的表面吸附氧含量和其他元素的含量均有很大影响,如氩气气氛下制备的Pd/SnO<,2>气敏薄膜在老化前与400...     

掺杂改善SnO_2甲醛气敏元件灵敏度特性的研究

用纳米SnO2制作了旁热式气敏元件。用掺杂方法提高SnO2甲醛气敏元件的灵敏度,掺杂剂包括Pd,Sb,Ti,Zr,Cu,Ag,Mn等。在SnO2气敏元件中分别掺杂质量分数2%Pd和2%Zr对提高元件灵敏度有显著效果。未掺杂SnO2、掺杂质量分数2%Pd和2%Zr的气敏元件对体积分数为5×10-5甲醛的灵敏度分别为1.33,2.38,2.08,但是掺杂在改善元件对乙醇的选择性方面作用不大。分析了掺杂改善SnO2气敏元件灵敏度的原理,当SnO2表面吸附还原性气体时,吸附气体提供电子,使半导体表层的导电电子数增加,引起电导率增加、电阻下降。吸附气体浓度越高,电阻率变化越大,元件灵敏度越大。     

Sb∶SnO2/SiO2纳米复合薄膜的光学及气敏特性

采用溶胶 凝胶 (sol gel)工艺制备了Sb∶SnO2 /SiO2 复合膜。通过原子力显微镜 (AFM )观察了薄膜样品的表面形貌 ,利用紫外 可见光谱 ,p 偏振光反射比角谱研究了复合薄膜的光学特性。结果表明 ,薄膜中的晶粒具有纳米尺寸 (～ 35nm)的大小 ,比表面积大 ,孔隙率高 ;薄膜的透光率高 ,可见光波段近 95 % ;其光学禁带宽度约 3 6 7eV。因此Sb∶SnO2 /SiO2 纳米复合膜可作为气敏薄膜的理想选择。通过对三种不同的气体C3 H8,C2 H5OH及NH3气敏特性的测试表明 ,Sb掺杂大大提高了SnO2 薄膜对C2 H5OH的灵敏度 ,纳米Sb∶SnO2 /SiO2 复合膜的气敏灵敏度高于纯SnO2 薄膜及Sb掺杂的SnO2 薄膜     

掺杂改善SnO2甲醛气敏元件灵敏度特性的研究

用纳米SnO2制作了旁热式气敏元件。用掺杂方法提高SnO2甲醛气敏元件的灵敏度，掺杂剂包括Pd，Sb，Ti，Zr，Cu，Ag，Mn等。在SnO2气敏元件中分别掺杂质量分数2%Pd和2%Zr对提高元件灵敏度有显著效果。未掺杂SnO2、掺杂质量分数2%Pd和2%Zr的气敏元件对体积分数为5×10^-5甲醛的灵敏度分别为1.33，2.38，2.08，但是掺杂在改善元件对乙醇的选择性方面作用不大。分析了掺杂改善SnO2气敏元件灵敏度的原理，当SnO2表面吸附还原性气体时，吸附气体提供电子，使半导体表层的导电电子数增加，引起电导率增加、电阻下降。吸附气体浓度越高，电阻率变化越大，元件灵敏度越大。     

SrTiO3氧气传感器的贵金属催化特性研究

对于SrTiO3氧气传感器,氧离子在材料表面的吸附控制着材料表面电导率的变化,所以吸附和脱附速率决定氧敏材料的响应时间.研究表明,贵金属作为表面催化剂,可加快气体分子的吸附和脱附速率,提高气敏元件的响应特性.该文在SrTiO3的n型掺杂基础上,加入贵金属Pd作为表面催化剂.实验结果表明,以Pd作为催化剂的样品,其响应时间缩短,接近气体传感器的实用要求.     

Ag-X(X=F,Cl,Br,I)共掺杂锐钛矿TiO_2的可见光吸收

TiO_2是一种常见的光触媒,但由于带隙较宽制约了其应用。采用第一性原理研究了Ag-X(X=F,Cl,Br,I)共掺杂对锐钛矿TiO_2的结合能、态密度、吸收系数和带边位置的影响。研究结果表明:Ag-X共掺杂锐钛矿TiO_2的结合能分别为-6.43、-5.54、-4.36和-3.97 eV,因此Ag-X都是稳定结构。Ag-X共掺杂对锐钛矿TiO_2的光学性质产生了以下几个方面的影响:首先,锐钛矿TiO_2带隙宽度由3.15 eV分别减小到2.85、2.57和2.21 eV,导致吸收系数产生红移;其次,带隙中杂化出新的能级,有利于可见光的吸收;最后,Ag-X共掺杂后的锐钛矿TiO_2具有良好的光催化活性。     

sol-gel法制备CuO掺杂的TiO_2厚膜及其气敏特性

采用溶胶凝胶法制备了纯TiO2和掺杂质量分数为5%,7%和9%CuO的TiO2纳米粉体,并对样品进行了不同温度(500,700和900℃)的退火处理。通过涂敷法制备成气敏元件,利用XRD和SEM对样品的结构和表面形貌进行了表征,并利用气敏测试系统检测其气敏特性。研究了CuO掺杂质量分数和退火温度对TiO2厚膜气敏性能的影响,进一步讨论了TiO2厚膜的气敏机理。结果表明:CuO的掺杂有效抑制了TiO2晶粒的生长,增加了对光子的利用率,降低了工作温度,提高了气敏特性。700℃退火后,质量分数为7%的CuO掺杂TiO2样品的结晶尺寸达到14.5 nm,气敏元件表现出对丙酮蒸汽单一的选择性,灵敏度为3 567,响应和恢复时间均为2 s。     

基于第一性原理的单层SnSe2二维薄膜的气敏效应

为探索SnSe2二维薄膜材料的气敏特性,采用分子力场方法系统地研究了SnSe2二维单层材料对H2,CO,NH3及NO2等4种典型气体分子的最优吸附位置和吸附能力,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了吸附前后的键长键角变化率、能带结构、态密度及电荷差分密度等参数,分析了吸附前后的电子结构变化与气敏效应之间的内在关联。计算结果发现,吸附H2和CO未能对SnSe2单层的能带结构和电子结构产生改变,而NO2和NH3却在导带底(CBM)和价带顶(VBM)之间分别产生了新的杂质能级,并使费米能级发生位移,从而改变SnSe2单层电子结构。电荷差分密度分析进一步表明SnSe2二维单层未能对H2和CO产生响应,而对NH3和NO2却有明显的气敏效应,其中对NO2有良好的敏感性能和选择性。     

SiC薄膜的制备及其对气氛的响应研究

在CH4,H2,SiH4混合气体中用热丝化学气相沉积(HFCVD)法生长SiC薄膜。利用XRD、原子力显微镜(AFM)对SiC薄膜的表面形貌和晶体结构进行测试分析,结果表明,薄膜的确是SiC,其厚度为310nm。对该薄膜在较高温度(250℃)下进行气敏特性测试,发现其对乙醇、乙醚有较好的敏感特性。进一步研究表明,不同的薄膜制备工艺条件对薄膜的气敏特性有一定的影响,其中H2流量,掺杂(N2)浓度对薄膜气敏特性影响较大。     

射频反应磁控溅射掺杂MWCNTs的SnO2薄膜NO2气敏传感器的研究

采用射频反应磁控溅射方法制备了氧化锡/多壁碳纳米管（SnO2/MWCNTs）薄膜材料,并在此基础上研制NO2气敏传感器。采用X射线衍射仪（XRD）、X光电子能谱仪（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）来研究WO3/MWCNTs材料的表面形貌、表面化学状态、表面化学元素等材料特性,研究结果表明MWCNTs已经掺杂进SnO2材料,合成的SnO2/MWCNTs气敏传感器表现出对低浓度（甚至低于10ppb）的NO2气体有较高的灵敏度和较好的反应-恢复特性,并解释了该传感器的工作机理是基于pn结（P型MWCNTs和N型SnO2)作用的结果。     

Sol-gel法制备ZnO-TiO_2厚膜及其气敏特性研究

以钛酸丁酯的水解反应制备了ZnO掺杂的纳米TiO2厚膜。通过XRD和SEM对不同退火温度下制备出的不同掺杂量的ZnO-TiO2粉体进行物相分析和表面形貌比较,并利用气敏测试系统检测其气敏特性。讨论了掺杂量和退火温度对ZnO-TiO2厚膜气敏特性的影响,同时分析了其气敏机理。结果表明:700℃退火,w(ZnO)=4%的ZnO-TiO2结晶尺寸达到26.8 nm,体现出对丙酮蒸气单一的选择性,灵敏度为8 913,响应和恢复时间均为2 s。     

EBCMOS钝化层表面残气吸附特性

基于密度泛函理论，研究了电子轰击互补金属氧化物半导体(EBCMOS)钝化层表面的残气吸附机制，并分析其电学特性。结果表明，以Al₂O₃钝化层为例，真空腔内残余气体H₂在Al₂O₃不同表面的吸附为物理吸附，在(001)面的吸附距离最大，吸附强度最低，电荷转移最少。对比CO,N₂,CO₂,H₂O等残余气体分子在(001)表面的吸附结果发现，(001)面对残气分子的吸附均为物理吸附，(001)面相比于其他表面，对残余气体分子有更好的抑制作用，所生成钝化层能提高EBCMOS器件电子倍增层的电荷收集效率。研究结果对研制寿命长而稳定的EBCMOS器件具有理论指导意义。     

N 和 Fe 共掺杂对TiO2电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了N 和 Fe共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学特性。计算结果表明,不同位置N 和 Fe共掺杂影响共掺TiO2的稳定性。通过态密度讨论了掺杂TiO2带隙变窄的机理。 不同位置N 和 Fe共掺杂影响了可见光吸收。N 和 Fe共掺杂的协同效应导致了可见光吸收的增强。因此,N 和 Fe共掺杂也许增强TiO2在可见光区的光催化能力。