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Zn、Ti和Zn、Sn共溅射膜的制备及气敏性研究

作　者: 闫勇彦
导　师: 马勇
学　校: 重庆师范大学
专　业: 理论物理
关键词: ZnO薄膜磁控共溅射气敏特性
分类号: O484
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

ZnO薄膜是重要的半导体材料,有着优秀的光电性能与气敏性能。此外,其原材料在自然界中储量丰富、成本低廉又具有高的热稳定性和化学稳定性,具有广阔的应用前景。经过对ZnO掺杂后,薄膜的性能可以得到大幅提高,因此,开展这方面的研究有着重要的实际意义。随着科技进步,自动化、集成化、小型化程度的提高以及人们环保意识的加强,对污染气体的监测控制已成为普遍的社会问题。这就要求气敏监测能够实现自动、及时、快速和稳定。而首先需要解决的就是用于制作气敏元件的材料问题。目前薄膜型气敏材料还处于研发阶段,存在诸多问题。如:工作温度高、使用寿命短、掺杂不稳定、气敏机理没有系统的理论解释等。要解决这类问题进行气敏薄膜的制备和性能研究是必要途径。本文采用双靶共溅射的方法,制备不同掺杂物及不同掺杂量的薄膜,研究对ZnO薄膜气敏性能的影响。以寻找最佳的气敏薄膜制备工艺和探讨气敏性机理与选择性为目的。在Zn、Ti共溅射的实验中,通过调节靶基距、工作气体流量、溅射功率等工作参数,制备出不同掺Ti量的ZnO薄膜,对制备的薄膜进行XRD测试分析和气敏性能研究后总结出了最佳制备参数:靶基距6.5㎝,Ar和O2的流量比为23:8,工作压强1.0Pa,Zn直流溅射功率115W,Ti的射频溅射功率为200W,沉积时间20分钟。制备的薄膜结晶质量好,对LPG气体的敏感度较高。寻找到最佳工作温度是380℃。在Zn、Sn双靶共溅射的实验中,我们虽然没有制得掺Sn的ZnO薄膜,但是经过对薄膜微结构和气敏性研究后,我们确定制备的薄膜含有SnO2和ZnSnO3两种成分。尤其是在Sn溅射功率70W时,我们制得了单一组分的ZnSnO3薄膜,这一样品对酒精气体有显著的敏感性和选择性。对200ppm灵敏度最大达到了30,并能检测到10ppm的低浓度酒精气体。对酒精气体的最佳工作温度是320℃。最后利用表面化学、吸附化学理论对掺杂ZnO的气敏机理进行了讨论。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 ZnO 的晶体结构及性质和用途  9-10
    1.1.1 ZnO 的晶体结构  9
    1.1.2 ZnO 薄膜的性质和用途  9-10
  1.2 ZnO 气敏薄膜的研究状况  10-12
  1.3 ZnO 薄膜的制备技术  12-14
  1.4 半导体气体传感器研究概况  14-17
  1.5 本课题的研究内容和目的  17-18
2 Zn、Ti 共溅射薄膜的制备与表征  18-27
  2.1 磁控共溅射简介  18-19
    2.1.1 磁控溅射工作原理  18-19
    2.1.2 反应磁控溅射生长薄膜的特点  19
  2.2 薄膜的制备  19-22
    2.2.1 薄膜沉积系统  19-20
    2.2.2 薄膜沉积工艺  20-22
  2.3 薄膜的结构性能分析  22-26
  2.4 小结  26-27
3 ZnO:Ti 薄膜气敏性能研究  27-37
  3.1 测试气敏性能的意义及衡量参数  27-28
    3.1.1 气敏性能测试的意义  27
    3.1.2 衡量气敏性能的参数  27-28
  3.2 气敏测试系统  28-29
  3.3 ZnO 薄膜对 LPG(液化石油气)的气敏性  29-30
  3.4 ZnO:Ti 薄膜对 LPG(液化石油气)的气敏性  30-33
    3.4.1 不同掺杂功率制备薄膜的敏感度  30-31
    3.4.2 样品的响应-恢复时间  31-32
    3.4.3 综合分析  32-33
  3.5 ZnO:Ti 薄膜对酒精气体的敏感度  33-34
  3.6 气敏机理分析  34-36
  3.7 小结  36-37
4 Zn、Sn 共溅射薄膜的制备与气敏性研究  37-44
  4.1 薄膜的制备与表征  37-38
  4.2 薄膜气敏性能研究  38-42
    4.2.1 不同 Sn 功率制备的薄膜对酒精气敏性的影响  39-40
    4.2.2 Sn70W 制备薄膜对酒精气体的气敏性研究  40-41
    4.2.3 薄膜对气体的选择性  41-42
  4.3 敏感机理  42-43
  4.4 小结  43-44
5 结论  44-46
  5.1 结论  44
  5.2 今后工作需要注意的问题  44-46
参考文献  46-50
攻读硕士学位期间发表的论文  50-51
致谢  51

Zn、Ti和Zn、Sn共溅射膜的制备及气敏性研究

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