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ZnSnO薄膜共溅法制备与其气敏性能要求

收藏本文 2024-02-16 点赞:11452 浏览:46302 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:目前气敏传感器元件通常是SnO_2、Fe_2O_3、ZnO等金属氧化物,但有着利用寿命短、工作温度高、掺杂不稳定、气敏灵敏度低、选择性差、反应恢复时间长等不足。由此,通过掺杂改善气敏特性,开发新气敏材料很有必要。随着科技进步,集成化、自动化、小型化和薄膜化成为气敏元件进展的方向。本论文通过双靶共溅射法探讨制备Zn-Sn-O薄膜以期获得性能更好的薄膜气敏材料。本论文采取磁控溅射设备,在不同的氧分压下,双靶共溅射金属Zn和Sn靶材的策略制备得到Zn-Sn-O薄膜,薄膜在空中进行不同温度退火,用XRD检测了各功率下溅射薄膜的物相。经过浅析发现,在射频溅射Sn靶功率为70W,直流溅射Zn靶功率为115W时得到了纯ZnSnO_3。制备该薄膜的其它参数为:靶基间距为6.5㎝,氩气和氧气比为23:8,工作气体压强为2.0Pa,溅射时间为30分钟。Sn以40W、60W、80W溅射制备的Zn-Sn-O薄膜有ZnSnO_3和SnO_2两种成分;Sn以50W溅射制备薄膜有SnO、SnO_2和ZnSnO_3三种成分。探讨了不同溅射功率制备的Zn-Sn-O薄膜对H_2、LPG和C_2H_5OH的气敏性能,浅析了工作温度,灵敏度,响应-恢复时间等。单一组分的ZnSnO_3薄膜在350℃时,对200ppm的C_2H_5OH达到30的电阻型灵敏度,并能检测到10ppm的低浓度C_2H_5OH气体,响应-恢复时间约10S,气敏性能稳定性好,具有较好选择性等,可以成为制备C_2H_5OH气体传感器的敏感材料。单一组分的ZnSnO_3薄膜在320℃时,对2000ppm H_2达到5.1的灵敏度,响应-恢复时间约25S。Sn以40W溅射制备的Zn-Sn-O薄膜在380℃对2000ppm LPG气体的灵敏度可以达到8.08,响应-恢复时间分别为70s和38s。最后浅析了ZnSnO_3薄膜气敏机理并对气敏传感器的探讨作了展望。关键词:ZnSnO_3薄膜论文磁控溅射论文SnO_2论文气敏性质论文

    摘要5-6

    ABSTRACT6-11

    1 绪论11-18

    1.1 引言11-12

    1.2 SnO_2和 ZnSnO_3基本物理性质12-14

    1.3 SnO_2和 ZnSnO_3材料的探讨概况14-15

    1.3.1 SnO_2的探讨概况14

    1.3.2 ZnSnO_3的探讨概况14-15

    1.4 本实验立题依据、探讨内容和革新点15-18

    1.4.1 立题依据15-16

    1.4.2 探讨内容16

    1.4.3 革新点16-18

    2 Zn-Sn-O 薄膜的制备18-26

    2.1 Zn-Sn-O 薄膜的制备法18-20

    2.1.1 真空蒸发镀膜法18

    2.1.2 溶胶-凝胶法18-19

    2.1.3 化学气相沉积法19

    2.1.4 分子束外延法19

    2.1.5 激光脉冲沉积法19-20

    2.2 反应磁控溅射法介绍20-22

    2.2.1 磁控溅射机理20-21

    2.2.2 磁控溅射制膜的特点21

    2.2.3 磁控溅射法的优势21-22

    2.3 Zn-Sn-O 薄膜的制备22-25

    2.3.1 实验设备与仪器22-23

    2.3.2 实验工艺23-25

    2.4 小结25-26

    3 Zn-Sn-O 薄膜的表征26-31

    3.1 薄膜厚度的测定26

    3.2 X 射线衍射测试26-28

    3.3 霍尔测试28-30

    3.4 小结30-31

    4 Zn-Sn-O 薄膜的气敏性能测试与浅析31-43

    4.1 测试系统的建立31-33

    4.1.1 气敏系统的气路设计31-32

    4.1.2 测试系统的整体结构32-33

    4.2 气敏传感器的参数33-35

    4.3 Zn-Sn-O 薄膜对于 H_2的气敏特性35-37

    4.3.1 溅射功率对 H_2气敏性的影响35

    4.3.2 温度对 H_2气敏性的影响35-36

    4.3.3 H_2气敏的响应恢复性36-37

    4.4 Zn-Sn-O 薄膜对于 LPG 的气敏特性37-39

    4.4.1 溅射功率对 LPG 的气敏影响37

    4.4.2 温度对 LPG 气敏的影响37-38

    4.4.3 LPG 气敏的响应恢复性38-39

    4.5 Zn-Sn-O 薄膜对于的酒精气敏特性39-41

    4.5.1 溅射功率对酒精气敏性能的影响39

    4.5.2 温度对酒精气敏的影响39-40

    4.5.3 酒精气敏响应恢复特性40-41

    4.5.4 气体传感器的选择性41

    4.6 小结41-43

    5 Zn-Sn-O 薄膜气敏机理43-52

    5.1 气敏特性43

    5.2 气敏机理模型43-47

    5.2.1 表面电荷层模型43-44

    5.2.2 晶界势垒制约模型44-45

    5.2.3 物理吸附、脱附模型45-46

    5.2.4 化学吸附、脱附模型46-47

    5.3 ZnSnO_3气敏机理的探讨47-51

    5.3.1 ZnSnO_3薄膜气敏传感器47

    5.3.2 ZnSnO_3薄膜的气-固反应47-48

    5.3.3 小尺寸效应和掺杂的作用机理48-49

    5.3.4 表面反应和选择性的联系49-51

    5.4 小结51-52

    6 结论与展望52-54

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