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    半導體型氣敏材料研制

    文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2019/3/21 15:52:00 訪問數:

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    與電化學型、光學型、質量型等氣體傳感器件相比,半導體型氣體傳感器件因其結構簡單、靈敏度高、使用壽命長、極易微型化等特點,是目前應用最為廣泛的氣體傳感器件,并且是下一代MEMs集成式微型氣體傳感器件研究開發的重點。通過前期摸索,在掌握半導體型氣體傳感器件批量制作工藝基礎上,持續開展與現有器件制作工藝相兼容的高性能、特種氣敏材料研制。

    1  通過p-n異質結調控,實現對H2特異性響應

     

    較差的氣敏選擇性是半導體型氣體傳感器應用所面臨的最大挑戰,構建p-n異質結是改善其氣敏選擇性的重要方法。我們合成了Co3O4/SnO2復合材料,在氣敏膜中構建p-n異質結,獲得了對H2p型響應,對其他還原性氣體(CONH3H2S)n型響應的高H2選擇性氣敏器件。雖然構建異質結可以改善傳感器氣敏選擇性,但是獲得對H2響應類型反轉的反常氣敏現象卻鮮有文獻報道。我們將其歸結于Co3O4SnO2對不同還原性氣體具有不同的氣敏反應活性,從而通過調控異質結高度與載流子濃度實現了對H2響應類型的反轉,如圖1所示。該機理的提出對p-n異質結氣敏材料氣敏選擇性的設計具有借鑒意義。

    半導體型氣敏材料研制

    2  構建有機-無機雜化異質結,實現對NOx低溫高選擇性響應

    氮氧化物氣體(NOx)是炸藥老化釋放的特征性氣體,具有強氧化性、酸性、腐蝕性及毒性。通過對NOx的傳感檢測,可以評估炸藥性能狀態以及NOx對其他部組件的性能影響。目前的半導體型氣體傳感器存在工作溫度較高等問題,不適宜用于含炸藥環境的NOx檢測。

    金屬酞菁類化合物是一類具有優異熱穩定性和化學穩定性的p型有機小分子半導體,由于其具有獨特的摻雜/去摻雜傳感機理而具有優異的NO2室溫氣敏性能。然而金屬酞菁類氣敏膜的導電性較差,為了獲得較高導電性就必須具有較好結晶性,而較好結晶性會影響氣體分子在氣敏膜中的擴散、吸附,從而導致其靈敏度較差、響應/恢復時間較長。為了克服有機氣敏材料和無機氣敏材料各自的缺點,構建有機/無機雜化氣敏膜是一種有效手段。我們將p型酞菁銅衍生物(CuPcTS)均勻負載在SnO2氣敏膜表面,構建有機-無機雜化氣敏膜。SnO2膜作為導電通道,利用CuPcTSNO2分子的高選擇性化學吸附,通過p-n異質結來調控SnO2膜中導電通道寬度,最終實現了對ppbNO2的高選擇、低檢出限(檢出限低至4010-9)以及低溫響應,如圖2所示。

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