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表面掺杂改性三氧化钨气敏机理研究

作　者: 王巍丹
导　师: 胡明
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 三氧化钨 Ti掺杂 气敏机理 密度泛函
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


三氧化钨材料对NOx、NH3、H2S、H2等气体表现出良好的敏感特性而得到广泛的研究。为了满足人们对气敏传感器高灵敏度、低功耗、快速响应等需求,常常对WO3材料采用掺杂改性的方法来提高其气敏特性。目前,WO3气敏传感器在实验方面已有大量研究,但在理论方面关于气体敏感机理的研究甚少,尚未有关掺杂改性的研究。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对掺杂改性的WO3的气体敏感机理进行了大量的研究和分析。首先,探索了Ti掺杂WO3（002）面的电子特性,建立Ti掺杂模型时,分别考虑了Ti替代W6c和W5c两种情况,计算结果表面Ti掺杂W5c具有最低表面能并能形成稳定的掺杂结构。分析能带结构、态密度可得,Ti掺杂引起的带隙变化和新的电子能带导致了WO3（002）表面性能发生了改变。其次,分别研究了Ti-WO3（002）表面NO2、NH3和H2的敏感机理。在Ti-WO3（002）表面建立气体吸附模型时,考虑了4个顶吸附位点:桥位氧O1c、平位氧O2c,Ti和6配位钨W6c。NO2和NH3与Ti-WO3表面的最佳吸附模型均为N原子和表面桥位氧O1c相键合,而H2吸附的最佳模型有两种,H原子与平位氧O2c位键合模型和与6配位钨W6c键合模型。对各最佳吸附模型气体吸附前后的表面结构、态密度、电子布居等计算和分析可知,能带结构、费米能级的变化,吸附过程的电子转移是引起气体吸附后电阻值变化的主要原因,从而揭示了Ti-WO3材料的气体敏感机理。最后,分别对比NO2、NH3和H2与未掺杂WO3（002）和Ti-WO3（002）的气体敏感机理,发现Ti掺杂引起禁带宽度和费米能级的改变使得掺杂模型在吸附过程中转移的电子数目比未掺杂模型的要多,吸附前后Ti-WO3材料的电阻变化幅度变大,有利于提高WO3基气敏传感器的性能。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-18
  1.1 气敏传感器定义及分类  9-10
  1.2 W0_3 薄膜气敏传感器  10-13
    1.2.1 W0_3的晶体结构  10-11
    1.2.2 W0_3气敏传感器的工作原理  11-13
  1.3 W0_3 薄膜气敏传感器研究现状  13-16
    1.3.1 实验方面研究动态  14-15
    1.3.2 理论方面研究动态  15-16
  1.4 本课题研究目标和研究内容  16-18
第二章 计算理论基础和相关软件介绍  18-25
  2.1 密度泛函理论（DFT）  18-21
    2.1.1 多电子体系的薛定谔（Schrodinger）方程  18-19
    2.1.2 Hohenberg-Kohn 定理  19-20
    2.1.3 Kohn-Sham 方程  20-21
  2.2 交换-关联相关能近似  21
  2.3 赝势平面波  21-22
  2.4 CASTEP 软件介绍  22-23
  2.5 本文计算设计方案  23-24
  2.6 参数设置  24-25
第三章 表面掺杂改性三氧化钨晶体的第一性原理计算  25-36
  3.1 引言  25
  3.2 W0_3 晶体结构的建立及优化  25-29
    3.2.1 W0_3晶体几何结构  25-26
    3.2.2 W0_3晶体能带结构和态密度图  26-29
  3.3 W0_3 表面模型的建立及优化  29-31
    3.3.1 W0_3表面真空层模型的建立  29-30
    3.3.2 W0_3 (002)表面结构与性能  30-31
  3.4 Ti 掺杂W0_3(002)面掺杂模型及其性质  31-35
    3.4.1 Ti 掺杂W0_3(002)面最佳掺杂模型的建立  31-33
    3.4.2 Ti-W0_3(002)能带结构和态密度图  33-35
  3.5 本章小结  35-36
第四章 表面掺杂改性三氧化钨对N0_2气体敏感机理的研究  36-46
  4.1 引言  36
  4.2 Ti-W0_3(002)表面N0_2吸附模型建立  36-39
    4.2.1 N0_2 分子模型建立  36-37
    4.2.2 表面吸附结构的建立  37-38
    4.2.3 最佳吸附模型的确定  38-39
  4.3 Ti-W0_3(002)面吸附N0_2 气敏机理研究  39-45
    4.3.1 N0_2在Ti-W0_3(002)吸附对表面几何结构的影响  39-40
    4.3.2 N0_2在Ti-W0_3(002)吸附对表面电导的影响  40-43
    4.3.3 N0_2在Ti-W0_3的(002)吸附前后电子布居分布的分析  43-45
  4.4 本章小结  45-46
第五章 表面掺杂改性三氧化钨对NH_3气体敏感机理的研究  46-54
  5.1 引言  46
  5.2 Ti-W0_3(002)表面NH_3吸附模型建立  46-49
    5.2.1 NH_3 分子模型建立  46-47
    5.2.2 表面吸附结构的建立  47-48
    5.2.3 最佳吸附模型的确定  48-49
  5.3 Ti-W0_3(002)面吸附NH_3 气敏机理研究  49-53
    5.3.1 NH_3在Ti-W0_3(002)吸附对表面几何结构的影响  49-50
    5.3.2 NH_3在Ti-W0_3(002)吸附对表面电导的影响  50-52
    5.3.3 NH_3在Ti-W0_3的(002)吸附前后电子布居分布的分析  52-53
  5.4 本章小结  53-54
第六章 表面掺杂改性三氧化钨对H_2气体敏感机理的研究  54-63
  6.1 引言  54-55
  6.2 W0_3 薄膜H_2 敏感机理  55-59
    6.2.1 W0_3(002)表面H_2吸附模型建立及最佳模型的确定  55-56
    6.2.2 H_2在W0_3(002)吸附对表面几何结构的影响  56-57
    6.2.3 H_2在W0_3(002)吸附对表面电导的影响  57-58
    6.2.4 H_2在W0_3(002)吸附前后电子布居分布的分析  58-59
  6.3 Ti 表面改性的W0_3 薄膜H_2 敏感机理  59-62
    6.3.1 Ti-W0_3(002)表面H_2最佳吸附模型的建立及最佳模型确立  59
    6.3.2 H_2在Ti-W0_3(002)吸附对表面几何结构的影响  59-60
    6.3.3 H_2在 Ti-WO_3(002)吸附对表面电导的影响  60-61
    6.3.4 H_2在Ti-W0_3(002)吸附前后电子布居分布的分析  61-62
  6.4 本章小结  62-63
第七章 总结与展望  63-66
  7.1 全文总结  63-64
  7.2 工作展望  64-66
参考文献  66-71
发表论文和参加科研情况说明  71-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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