《氧化镍薄膜基甲醛气敏特性及其改性研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《氧化镍薄膜基甲醛气敏特性及其改性研究（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分类号： TN303；TN304.9密级：天津理工大学研究生学位论文氧化镍薄膜基甲醛气敏特性及其 改性研究（申请硕士学位）学科专业：微电子学与固体电子学 研究方向：半导体薄膜材料与器件 作者姓名：孙士久 指导教师：张楷亮 教授Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters DegreeResearch of Formaldehyde Gas Sensing Properties and Modification Based on NiO Thin FilmsBySun ShijiuSupervisorPr
2、of. Kailiang Zhang独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大 学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文 的规定。特授权 天津理工大 学 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段
3、保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：摘要金属氧化物半导体薄膜气敏传感器因为其灵敏度高、响应时间和恢复时间短、选择 性好以及可以与传统的 CMOS 工艺相兼容等优点成为下一代甲醛气敏传感器的有力竞 争者。近年来，p 型半导体因为选择性好、稳定性高以及具有一定的催化特性等优点引 起了研究者的关注。基于以上考虑，本论文选用 p 型半导体 NiO 作为制备甲醛气敏传感 器的敏感材料，开展关于 NiO 薄膜基甲醛气敏特性及其改性的研究，提升 NiO 对甲醛气 体的灵敏度。具体的研究内容如
4、下：（1）使用射频磁控溅射法在 Si 衬底上沉积 NiO 薄膜，并且系统的研究了氧分压、 外加偏压以及薄膜厚度对薄膜晶格结构、表面形貌以及表面分子成键的影响。之后在 Ti 叉指电极上沉积 NiO 薄膜，制备出甲醛气敏传感器，对 NiO 薄膜的气敏特性进行了研究。 结果表明，具备较小的晶粒尺寸、较大的表面粗糙度以及（111）晶面衍射峰占主导的 NiO 薄膜对甲醛气体的灵敏度较高。（2）研究了共溅掺杂的 NiO 薄膜对甲醛气敏特性的影响，并对掺杂 NiO 的结构特 性以及甲醛气敏特性进行了表征和测试。实验结果表明：Zn 掺杂以及 Cu 掺杂改变了 NiO 薄膜的晶格结构以及表面晶粒尺寸，未掺杂的
5、NiO 薄膜对甲醛气体的灵敏度为 0.08/ppm， 掺杂 Zn 的 NiO 薄膜对甲醛气体的灵敏度上升到 0.39/ppm。(3) 使用 ZnO 对 NiO 薄膜进行表面修饰，通过改变修饰的 ZnO 厚度，研究 ZnO 表 面修饰对 NiO 薄膜甲醛气敏特性的影响。研究表明，ZnO 修饰存在最佳的修饰厚度可以 提升 NiO 薄膜的甲醛气敏特性，并且修饰的 ZnO 以及未被 ZnO 覆盖的 NiO 共同影响薄 膜对甲醛气体的气敏特性。关键词：氧化镍 纳米薄膜 气敏传感器 掺杂修饰AbstractMetal oxide semiconductor (MOS) gas sensors are th
6、e most popular among all the detective methods. Because of their high sensitivity, short response and recover time, low cost, simplicity and compatibility with modern electronic devices, MOS gas sensor are the most attractive in the next generation of gas sensors. Recently, p type semiconductor whic
7、h has high stability, good selectivity and some catalytic characteristic attracts lots of attentions. According to above consideration, this dissertation is focused on the investigation of formaldehyde gas sensing properties and modification based on NiO thin films which is a p type semiconductor wi
8、th high stability. The specific contents are as follows.(1) Effects of Oxygen partial pressure, applied bias and the thickness of films on the crystallinity, surface morphology and hanging keys of NiO thin films which are deposited on the Si substrate by radio frequency magnetron sputtering are stud
9、ied. Then NiO thin films are deposited on Ti interdigital electrodes to achieve the HCHO gas sensor. And the gas sensing properties of NiO for HCHO are tested. Results show that the NiO thin films with small grain size, higher surface roughness and (111) diffraction peak exhibit higher gas sensing p
10、roperties for HCHO.(2) The influence of doping to the gas sensing properties of NiO is studied. Crystal structure, surface morphology and gas sensing properties to HCHO is characterized. Result shows that crystal structure and grain size have been changed by doping with Zn,Cu in NiO thi films, gGas
11、sensing results show that the sensitivity for formaldehyde of Zn-doped NiO, Cu-doped NiO and un-doped NiO is 0.39/ppm, 0.11/ppm and 0.08/ppm, respectively.(3) The influence of decoration that is made by different thickness of ZnO to the gas sensing properties of NiO is studied. Results show that the
12、 optimal thickness of ZnO which is decorated on the surface of NiO is achieved. And the gas sening properties of NiO thin films are determined by the presence of ZnO and the uncovered NiO surface.Key words：Nio Thin Film; HCHO Gas Sensor; Doping; Decoration目录第一章 绪论11.1 课题背景与研究意义11.2 气敏传感器概述11.2.1 气敏传
13、感器及其分类11.2.2 半导体传感器的主要特征参数41.2.3 电阻式半导体传感器的气敏机理51.3 NiO 薄膜基甲醛气敏传感器61.3.1 NiO 的性质及应用61.3.2 甲醛气敏传感器71.4 选题意义与主要研究内容9第二章 实验设备与表征112.1 气敏元件制备流程112.1.1 衬底的清洗122.1.2 叉指电极的制备122.1.3 NiO 薄膜的制备132.2 薄膜的表征与测试132.2.1 薄膜厚度测试142.2.2 表面形貌测试142.2.3 晶格结构测试152.2.4 气敏性能测试16第三章 NiO 薄膜的制备以及薄膜特性的研究183.1 Si 衬底制备 NiO 及其特性
14、研究183.1.1 氧氩比对 NiO 薄膜特性的影响183.1.2 外加偏压对 NiO 薄膜特性的影响223.1.3 薄膜厚度对 NiO 薄膜特性的影响253.2 玻璃衬底制备甲醛传感器及其特性研究263.2.1 不同氧分压对薄膜气敏特性的影响263.2.2 不同偏压对薄膜气敏特性的影响293.2.3 薄膜厚度对薄膜气敏特性的影响31- i -3.3 本章小结33第四章 掺杂 NiO 薄膜基甲醛气敏特性的研究344.1 掺杂 NiO 薄膜的制备以及性能研究344.1.1 掺杂对 NiO 薄膜结构以及表面形貌的影响344.1.2 掺杂对 NiO 薄膜气敏性能的影响364.2 本章小结39第五章
15、ZnO 表面修饰对 NiO 气敏特性的影响405.1 ZnO/NiO 器件结构的制备405.2 ZnO/NiO 器件的表征415.3 ZnO/NiO 复合结构气敏特性的测试425.4 气敏机理的分析445.5 本章小结47第六章 全文总结49参考文献50发表论文和科研情况说明54致谢55第一章 绪论1.1 课题背景与研究意义甲醛，作为一种挥发性有机物，是一种重要的工业、医学、建筑原料，广泛应用于 现代社会的很多重要行业。随着经济的快速发展，仅美国，每天接触甲醛的工人就有近 200 万人1。近年来在一些发展中国家，例如世界最大的甲醛生产国以及消费国中国， 甲醛所带来的健康问题也越来越成为社会关注的一大重点。甲醛，被认为是产生很多健 康问题的一个重要因素，并且已经确认是引发室内空气综合征（SBS）的主要因素2， 室内空气综合征是由于长期处在一个特定的环境中所引起的一系列的综合征。经过研究， 从室内装修材料或者一些家具中挥发的甲醛气体，是造成室内空气污染的重要来源，严 重的甚至会导致癌症。
