二氧化钛薄膜氢气传感器的研究

作     者：吴文希 

作者单位：湖北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏晓红

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：氢气 传感器 二氧化钛 薄膜 水热法 

摘      要：随着氢气这一清洁高效能源的广泛应用,其使用安全性受到人们的普遍关注,当空气中氢气含量达4%时就极易发生爆炸事故。一种能有效检测氢气,灵敏度高、响应快速、稳定性好、能在室温下工作、安全且廉价的传感器成为工业上的迫切需求。同时,氢气气敏机制也仍需进一步探讨。在本工作中,我们结合磁控溅射法和水热方法,合成了一种室温(25±5℃)下性能优良的TiO薄膜氢气传感器,并深入探究了其气敏机制,结果如下:1,采用射频磁控溅射方法,以TiO为靶材,在FTO衬底上进行15min溅射沉积,经退火处理后,得到粒径尺寸在20-200nm范围的金红石结构TiO籽晶层。2,以附有TiO籽晶层的FTO为衬底,在150℃下水热8小时制备TiO薄膜。籽晶层有利于提高薄膜结晶性,使其沿[002]方向生长,并有利于适当增加薄膜致密度。籽晶层作为FTO和水热层之间的隔绝层,能降低通过FTO导电玻璃层的漏电流。气敏性能测试结果显示,籽晶层的存在使传感器在室温下对氢气重复多次测量下保持良好的稳定性,而且可以将传感器的探测极限降低至4ppm。3,对有籽晶层的TiO薄膜进行400℃下20min退火处理,相对于未退火的薄膜,器件的电阻-时间响应曲线不仅更加平滑,信号更加稳定,灵敏度增加,而且其最低探测极限低至1ppm。4,气敏测试温度对薄膜气敏性能影响较大,将测试温度提高到100℃,器件的性能有显著的提高,在1ppm的氢气浓度下,灵敏度高达42.6%,并且对氢气能快速地响应和回复。5,TiO薄膜气敏检测涉及到TiO材料表面电阻和Pt-TiO肖特基势垒变化,H2在TiO薄膜的(002)面上和Ti4+形成稳态H2-Ti(4),部分H2会与(002)表面吸附氧作用成为离子态后沿[002]方向向次表层扩散,由此带来薄膜表面电阻变化。随着氢气浓度的增加,以上过程还会发生在Pt-TiO界面处,致使肖特基势垒高度改变,从而影响材料电阻。电阻回复过程涉及氢从缺陷和表面解吸两个过程。