二氧化锡晶面掺杂及分子吸附行为
二氧化锡（SnO2）作为一种宽带隙（禁带宽度为3.6eV）的n型金属氧化物半导体，因为具有良好的光学性能、导电性以及卓越的化学稳定性，被应用在气敏传感器的相关研究中，受到学术界和工业界的广泛关注。基于SnO2材料的气体传感器的气体检测原理是通过吸附目标气体而导致表面层电导率改变，在高温下，吸附的目标气体与表面吸附的氧离子发生反应进一步改变材料电导率。不同的气体由于其自身结构以及不同晶面相互作用情况的不同，对材料表面电导率影响有时存在差异。为了深入理解SnO2（221）晶面掺杂对分子吸附及电学性能的影响机制，有效调控晶面的气敏性能，本文合成SnO2（221）晶面，并对晶面进行金属离子掺杂，探究掺杂对材料的表面分子吸附的影响规律。本文利用密度泛函理论模拟了掺杂后晶面吸附O2、N2和H2O分子前后的电学性能变化情况，采用电化学阻抗测试方法（EIS）进行分子吸附验证。并选取了四种在工业化工生产及加工中易产生的挥发性化学物，探究掺杂不同金属离子的晶面来检测丙酮、乙醇、甲醇和甲醛分子的能力，具体研究内容如下： 1、Al3+掺杂的SnO2（221）晶面的吸附性能研究。H2O分子被指认为特征化学吸附种（CAS），由于合成和储存条件导致形成的晶面模型记为H2O-SnO2-Al（221）表面模式。由于费米能级态密度（DOS）数值变化趋势与晶面电导率变化趋势的一致性，DOS数值被用于定性判断晶面电导率变化趋势。当H2O-SnO2-Al（221）模式进一步吸附O2、N2和H2O分子时，对应的DOS数值变化情况分别为7.87→4.08electrons/eV、7.87→7.51electrons/eV和7.87→5.81electrons/eV。O2分子和N2分子吸附导致晶面电导率变小的趋势被EIS结果所证实。与单分子H2O吸附模拟结果恰好相反，即随着湿度增大电导率增大。进一步红外光谱测试结果表明，这是H2O分子在晶面形成聚集体导致的。 2、Co2+掺杂的SnO2（221）晶面的吸附性能研究。第一性原理模拟结果表明Co2+-SnO2（221）材料在晶体表面存在晶面氧缺陷，吸附O2、N2和H2O分子后，其费米能级处的DOS数值的变化趋势分别从8.52→11.61electrons/eV、8.52→8.58electrons/eV、8.52→7.38electrons/eV。这意味着吸附O2分子和N2分子都会导致材料的电导率增大，吸附O2分子后电导率变化更明显，吸附H2O分子最终导致材料的电导率降低，这一模拟结果被EIS结果所证明。 3、Al3+和Co2+掺杂的SnO2（221）晶面的分子检测性能研究。研究材料表面检测挥发性化合物的能力。实验测试结果证明，SnO2-Al（221）材料的检测能力为：丙酮（C3H6O）＜甲醛（HCHO）＜甲醇（CH3OH）＜乙醇（C2H5OH）。Co2+-SnO2（221）材料的检测能力为：丙酮（C3H6O）＜甲醇（CH3OH）＜乙醇（C2H5OH）＜甲醛（HCHO）。
二氧化锡;特殊吸附种;密度泛函理论;吸附模式;表面模型
吉林大学
硕士
凝聚态物理
李子亨
2023
中文
TN304.21
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）