室温气体传感器的实现机理及性能研究

• 作 者: 刘彬
• 机 构: 厦门大学
• 出 处: 厦门大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 气体传感器 气体分子检测 敏感机理 工作温度

降低工作温度对于提高气体传感器的安全性，增加便携式或可穿戴设备的续航时间和组建高可靠性的无线传感网络有至关重要的作用。然而对于金属氧化物气体传感器来说，工作温度的降低并不是一件简单的事情。任何定量检测的本质都是事先构建一个可量化的不稳定平衡，然后让待测物打破这个平衡来获得响应。把传感器看作一个封闭系统，工作温度的降低意味着系统稳定性的增强，以至于在较低的温度下电流（或电压）平衡难以被痕量待测气体的出现所打破。近年来有研究表明借助紫外光活化可以显著地降低气体传感器的工作温度，甚至实现了对多种气体的室温检测，这种方法虽然有效避免了高工作温度带来的安全隐患，但是美中不足的是紫外光源同样是一种高能耗的电子元件，导致传感器的整体功耗依然较高。　　本研究以实现室温条件下的高灵敏度、高选择性和快速的气体分子检测为目的，在绪论部分我们从最简单的物理模型出发，探讨了气体分子为什么会在固体表面发生吸附，吸附后电荷转移的规律以及电荷转移对固体导电特性的影响，以期能在敏感机理层面找到降低传感器工作温度的方法。在一个典型的半导体气体传感器中，气体分子与敏感材料的气-固界面，金属电极与敏感材料的金属-半导体界面以及气体、贵金属催化剂和敏感材料构成的复合界面存在复杂的电荷转移、原子迁移和能量平衡过程，统称为界面效应。本文的第二章和第三章在实现氢气的室温检测的同时讨论了由这些界面效应导致的表面能带弯曲、肖特基势垒的形成以及局域电子耗尽对传感器性能的影响。随着敏感材料尺寸的缩小和复杂度的上升，界面问题已经变成一个物理学、化学、材料学等多学科交叉的综合性问题，对这种复杂界面的每一种细微的平衡效应的深入研究都可能产生全新的应用，本文第四章通过CO气体分子对Pd-WO3界面的氢原子溢出的调控作用实现了对CO的室温检测。最后，工作温度的降低可能导致传感器响应时间的延长，对于金属氧化物来说，材料与气体分子之间电荷转移的平衡并不意味着其导电性能的平衡，气体环境发生变化后产生于敏感材料表面的非平衡载流子须经过扩散、迁移、复合等复杂的过程与内部载流子发生深度的交互后才能实现新的平衡。而拓扑绝缘体的内部绝缘特性决定了它的表面金属态在导电性能中的主导作用，理论上会有更快的响应速度，因此本文的第五章我们探索了这一新奇的量子态物质在超快速气体分子检测中的应用，以便在降低传感器的工作温度的同时获得较快的响应速度。