基于氧调控的SnO2取向半导体薄膜气敏特性研究
二氧化锡（SnO2）是最常见的N型半导体纳米材料之一,多形态的SnO2会呈现出不同的物理化学性质,不仅被应用于透明导电电极、太阳能电池、锂离子电池等领域,更重要的是由于SnO2具有灵敏度高、选择性强、响应/恢复快、化学稳定性好等优点,在各种气体的检测中得到了广泛的应用。本文采用射频粉末靶磁控溅射,室温下调控溅射气体环境,制备了不同择优取向的二氧化锡基薄膜,并通过不同氛围下的退火处理,进一步调控薄膜的微观结构进而深入挖掘SnO2基材料各基本属性所特有的气敏性能。利用X射线衍射仪、Raman光谱仪、光致发光谱仪、原子力显微镜（AFM）、霍尔效应仪以及电化学工作站等对薄膜的微观结构、表面形貌和气敏性能进行表征。研究结果表明:（1）在不同氧含量的Ar气氛下分别制备得具有（101）和（110）择优取向的四方金红石结构SnO2薄膜;其中,极性不饱和贫氧态（101）择优取向薄膜具有较大的表面自由能和较窄的掺杂带隙,非极性饱和富氧态（110）取向薄膜具有更小的晶粒尺寸和更大的表面粗糙度。经400℃真空退火后,薄膜的择优取向并未发生变化,表面更为均匀光滑,晶柱顶端向表面能更小的半球状转变。（2）与（101）择优取向SnO2薄膜相比,（110）取向SnO2薄膜拥有更多的吸附位点,具有更高的H2响应度R=9.6,并且对于H2的选择性（CO为干扰气体）也更好S=6.5,但其最佳响应温度略高。真空退火后,伴随着晶格氧的流失,两取向薄膜响应度均下降,表明了晶格氧对薄膜气敏性的重要影响。（3）与（110）择优取向SnO2薄膜相比,（101）取向薄膜具有更好的光电解水特性,晶粒表面原子台阶是光电解水性能发挥的活性位,而以Obridging为主的晶格原子是产生气敏性能的主要位点。两取向薄膜在氮气载气下的H2响应度要高于在空气载气下的响应度,进一步说明晶格氧是磁控溅射SnO2薄膜产生气敏性的主导因素。（4）通过溅射氟掺杂和退火氧管理对带有单一（101）择优取向的SnO2基薄膜进行大范围载流子浓度和迁移率的协同调控,使载流子浓度在1015/cm3～1021/cm3变化,证实了薄膜气敏性能主要受控于载流子浓度;带有最低载流子浓度1015/cm3的薄膜具有更高的气体响应度R=5.0,而最高载流子浓度1021/cm3的薄膜具有最短的响应和恢复时间。当载流子浓度相同时,迁移率也具有次级影响,而且低的迁移率对于气敏响应有一定的促进作用。
- 作者：
- 李瑞武
- 学位授予单位：
- 辽宁科技大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 吴法宇
- 中图分类号：
- TQ134.32；TB383.2
- 关键词：
- 2基薄膜','','LkoWH7mtZaumSuRmp5jPlXZI9UOSHHf1jqsMPFVwaTIypippLrBAbcRVcfJCZfFg')
">SnO2基薄膜；氧调控；择优取向；载流子行为；气敏特性
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