多晶半導體敏感陶瓷制備與傳感機制模型定量研究.pdf

1、半導體敏感元件作為傳感器領域的重要分支，正在經(jīng)歷著微型化和集成化的革命。本文以此為背景，制備了性能優(yōu)異的納米SnO2氣敏薄膜和細晶片式BaTiO3基PTC陶瓷，研究了多晶半導體敏感材料晶粒尺寸下降到微米-納米級別時引發(fā)的尺寸效應和材料敏感機理的改變，并致力于將敏感機理的定量表達。
　　本文首先采用溶膠凝膠法在氧化鋁和單晶硅上制備了納米SnO2薄膜，其晶粒尺寸為15-25nm。通過對Cu摻雜量、工作溫度、燒結溫度等工藝參數(shù)的研究，發(fā)

2、現(xiàn)薄膜可以在室溫下工作，對H2S的響應可高達3648。提高工作溫度可以改善薄膜的恢復特性，在120℃時可以顯示出良好的恢復性，響應恢復時間為2秒和532秒。薄膜在150℃下的靈敏度為0.6。氣溶膠輔助氣相沉積法制備的薄膜在室溫下即可具有完全的恢復特性，響應恢復時間為60秒和90秒，并且具有很好的選擇性。該方法制備的薄膜可以檢測低濃度H2S氣體，并且對H2S氣體非常敏感，靈敏度高達0.9。
　　另一方面，本文使用流延工藝和還原-再氧

3、化的燒結工藝制備了片式BaTiO3基PTC陶瓷。實驗以制備細晶和低室溫電阻率的陶瓷為目標，研究了制備工藝、材料組分和再氧化效應多陶瓷性能的影響。陶瓷平均晶粒尺寸為1.15μm，具有727Ω·cm的室溫電阻率和3.3個數(shù)量級的PTC效應。SiO2添加量為0.5％的陶瓷顯示出較好的綜合性能。研究發(fā)現(xiàn)SiO2助燒劑對陶瓷性能的影響十分復雜，室溫電導率、晶粒體載流子密度和晶界受主密度具有類似的變化規(guī)律，各種樣品的收縮率大體相同，PTC效應則隨著

4、SiO2的添加量而下降。再氧化效應的研究顯示，室溫電阻率與再氧化溫度呈先增大后減小的趨勢，而PTC效應則隨著再氧化溫度單調(diào)上升。阻抗分析表明再氧化的主要作用在于提高晶界電阻，而晶粒體電阻受再氧化的影響很小。估算受主密度在2×1012-6×1012cm-2之間，與其它結果相比較低。
　　基于實驗事實，本文嘗試在受主功能模型、轉(zhuǎn)換功能模型和效用因子三個方面對材料敏感機理進行定量和半定量的分析。在受主功能模型方面，本文研究了降溫速率和退

5、火對薄膜氣敏特性的影響，應用肖特基勢壘模型分析其原因，建立了氧空位擴散方程，并通過方程的解定量的描述了氧空位在降溫過程中在晶粒中穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的密度分布，據(jù)此提出SnO2晶粒中的氧空位梯度分布模型，并用實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的有效性。
　　在晶?；ヂ?lián)的轉(zhuǎn)換功能模型方面，探討了晶界電導隧穿效應對材料電性能的影響。根據(jù)SnO2薄膜的阻溫特性，求解一維勢壘的薛定諤方程求得SnO2晶粒間電子隧穿的概率，這種效應在縫隙小于0.1nm時是比較明顯的，

6、且概率大于1％。之后基于BaTiO3陶瓷室溫電阻率隨再氧化溫度的變化趨勢，討論了鐵電體的尺寸效應和氧空位對鐵電性能的影響，提出了再氧化過程中鐵電補償?shù)闹亟C制，并得出結論，對于流延工藝制備的BaTiO3陶瓷來說，750-800℃之間的某一溫度為再氧化過程中氧進入晶格的臨界溫度。
　　在效用因子方面，本文對氣體擴散理論進行了實驗驗證，并根據(jù)SnO2薄膜響應與氣體濃度的非線性關系和薄膜電阻的冪定律，對氣體擴散模型的線性假設表達式進行了