【摘 要】
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近年来,气体检测与人们的生活和社会发展之间的关系变得越来越紧密。军事、医疗、工业、环保等领域对气敏传感器的要求也越来越高。金属氧化物半导体气敏传感器以其灵敏度高、成本低、体积小等优点受到越来越广泛的研究。用于制备气敏传感器的宽带隙半导体气敏材料因其优异的性能也被越来越多的研究者所关注。提升材料的气敏性能对半导体气敏传感器的发展起到了至关重要的作用。本文基于第一性原理的密度泛函理论和平面波赝势法,采
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近年来,气体检测与人们的生活和社会发展之间的关系变得越来越紧密。军事、医疗、工业、环保等领域对气敏传感器的要求也越来越高。金属氧化物半导体气敏传感器以其灵敏度高、成本低、体积小等优点受到越来越广泛的研究。用于制备气敏传感器的宽带隙半导体气敏材料因其优异的性能也被越来越多的研究者所关注。提升材料的气敏性能对半导体气敏传感器的发展起到了至关重要的作用。本文基于第一性原理的密度泛函理论和平面波赝势法,采用广义梯度近似算法(GGA)研究了Sb,S两种元素共掺杂SnO2材料的电子结构与电学性质,以及掺杂前后材料气敏性能的变化。电子结构表明:共掺杂后材料仍然为n型导电直接带隙半导体,电荷密度分布改变,S原子与Sn,Sb原子轨道电子重叠加剧。能带结构表明:Sb,S共掺SnO2在能带中引入新的能级,能带带隙相比于单掺更加窄化,费米能级进入导带表现出类金属特性。电子态密度计算结果进一步证实了电子转移的正确性:在价带中部,S原子轨道与Sn,Sb轨道发生杂化,电子转移加剧,价带顶部被S-3p轨道占据,提供了更多的空穴载流子,价带顶上移。随着S掺杂浓度的增加,带隙宽度继续减小,导带逐渐变窄,导电性能呈现越来越好的趋势。通过在材料的(110)面构建不同的CO吸附模型进行性能比较,发现CO在五配位的Sn5c上吸附力最强。考虑到气敏传感器工作过程中难免会受湿度的影响,构建两种H2O在(110)面的吸附模型,比较后发现H原子朝下的模型吸附性能更好。通过分析电子转移可以发现,部分H2O分子里电子转移到吸附表面,这使得材料的电阻变小,这解释了在潮湿环境下气敏传感器电阻值偏小的现象。分别构建CO和H2O在Sb单掺和Sb,S共掺(110)表面的吸附模型。计算结果表明:掺杂之后的表面结构对CO气体分子和H2O分子具有更好的吸附性,且共掺优于单掺,材料的气敏性能较未掺杂得到很大提升。
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