【摘 要】
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随着人们对室内外空气质量的日益关注,对高性能传感器技术的需求迅速增长,导致气体传感器市场迅速扩大。二氧化锡（Sn O2）量子点薄膜气体传感器以其结构简单、制造容易、成本低、化学性质稳定等优点而备受关注。Sn O2为金红石结构,八面体配位,是一种宽禁带N型半导体。Sn O2量子点作为一种新型的功能材料,晶粒尺寸较小（＜10nm）,表面有大量的原子与气体分子发生电子交换,导致晶粒表面发生化学电阻效应。
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随着人们对室内外空气质量的日益关注,对高性能传感器技术的需求迅速增长,导致气体传感器市场迅速扩大。二氧化锡（Sn O2）量子点薄膜气体传感器以其结构简单、制造容易、成本低、化学性质稳定等优点而备受关注。Sn O2为金红石结构,八面体配位,是一种宽禁带N型半导体。Sn O2量子点作为一种新型的功能材料,晶粒尺寸较小（＜10nm）,表面有大量的原子与气体分子发生电子交换,导致晶粒表面发生化学电阻效应。随着晶粒尺寸的减小,表面原子数增多,气敏特性得到很大的提升,具有明显的尺寸效应。在室温条件下,采用水浴法合成二氧化锡（Sn O2）量子点,通过水热法实现晶粒增长,得到晶粒尺寸约为4.7-8.9nm的Sn O2量子点溶液;在室温下旋涂量子点溶液形成Sn O2量子点薄膜气体传感器。分析Sn O2量子点材料的表征结果,室温测试其气敏性能,实验结果表明,随着晶粒尺寸的增加,薄膜电阻增大,而响应却先增加后减小,响应峰值出现在晶粒尺寸为7.1nm的位置。为了充分考虑晶粒尺寸对气敏性能的影响,根据第一性原理计算讨论晶粒尺寸小于3nm时的气敏特性。根据实验条件建立含33.3%氧缺陷的2×2×3、3×3×5、4×4×3的超晶胞模型,他们的晶粒尺寸为1.6-2.8nm,基于电子态密度分析晶粒尺寸对电子转移的影响。改变超晶胞表面吸附氧的含量,根据能带图计算施主能级深度的变化情况,从而进一步分析响应的变化。计算结果表明,随着超晶胞的尺寸增大,响应逐渐变大,具有明显的尺寸效应。结合现有的半导体敏感材料的气敏机理,以受体功能模型、转换功能模型和效用因子为基础,全面阐述Sn O2量子点薄膜的气敏机理,并进行仿真分析。仿真结果表明,在晶粒半径与耗尽层宽度相等时响应达到峰值,具有明显的尺寸效应。采用实验测试和DFT计算验证仿真结果,实验结果与仿真曲线有相似的变化趋势,计算结果也与仿真曲线拟合良好,具有良好的一致性,进一步说明了实验制备SnO2量子点薄膜传感器具有普遍适用性,也能说明气敏模型的可靠性。
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