基于氧化锌的半导体气体传感器性能提升方法的文献调研开题报告

1. 研究目的与意义

1.1.研究的背景，目的及意义

传感器技术是一项当今世界迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术一起构成信息产业的三大支柱。 “没有传感技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达，自动化技术越高，对传感器依赖性就越大。所以，国内外都普遍重视和投入开发各类传感器以及传感技术。而传感器技术又是与各个学科的发展有着密不可分的联系。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。无论从宇宙探索、海洋开发，到国防建设，工农业生产;从环境保护、灾情预报，还是到包括生命科学在内的每一项现代科学研究;无论从生产过程的检测与控制，还是到人民群众的日常生活等等，都离不开传感器和传感技术。由此可见，应用、研究和发展传感器与传感技术是信息化时代的必要要求。随着现代科学技术的长足进步，人们己不满足于现有空间和时间上的活动范围，正向着无限、极端和全新的领域奋进。新材料、新能源的不断涌现，微电子、空间技术、海洋资源、生物遗传、纳米技术等关键工程的开发，必须开拓各种能够感知、获取、检测和转换信息的传感器新领域。前，传感器技术的发展方向是: 第一，开展基础研究，发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺; 第二，扩大传感器的功能与应用范围。近年来,随着人们环保意识的增强及对健康问题的持续关注,用于模拟人类嗅觉系统机制的气体传感器在人们的生产生活占据着十分重要的地位,并在室内气体检测、食品安全检测、工业安全管理及疾病诊断等方面应用广泛。半导体技术和集成电路的不断发展使得高性能的气体传感器成为时代的需求。氧化锌因具有较高的导电性能、独特的物理化学性质、较低的成本及与标准cmos工艺[1]兼容等优点,使其成为优异的气敏材料。气体传感器的性能与气敏材料的识别能力、转换能力及有效利用率密切相关。人们通过各种办法来提高氧化锌气体传感的性能,如元素掺杂、改变结构等,而设计具有多孔结构、大比表面积的氧化锌材料是有效改善气体传感器性能的方法之一。阳极氧化铝模板法制备出的纳米氧化锌气体传感具有较大的比表面积、丰富的表面活性位点、较高的气体扩散能力以及形状可控性对性能的提升具有重要作用。在详细阐述氧化锌气体传感器的工作原理的基础上,采用了氧化锌物理参数和表面态先验模型,即inttrap模型[2],利用silvaco半导体仿真软件研究了器件物理结构参数对性能的影响,具体包括孔径大小和氧化锌厚度两部分。仿真结果表明:利用aao模板法制备出的三种不同的多孔纳米氧化锌气体传感器,它们具有相同的周期、厚度、深度、缺陷浓度,其中孔径最大的多孔纳米氧化锌气体传感器在室温下对二氧化氮气体灵敏度最高[3],通过仿真的i-v特性曲线计算得到的灵敏度分别提高。随着孔径的增大,整个结构的总电势增加,总电流密度分布更均匀,更利于载流子传输。同时,孔径增大使得其比表面积增加,。并通过实验验证,实验结果与仿真结果具有一致性。此外,a阳极氧化铝部分的氧化锌厚度比上下表面氧化锌厚度对灵敏度的影响相对更大[4],aao部分和上下表面氧化锌厚度越小,灵敏度更高。因此,在实际器件制备的过程中,应尽可能将该气体传感器的孔径做得更大并将aao部分氧化锌厚度做得更薄以获得更高的灵敏度。由于实际器件是由数以百万的孔组成,并且结构的深度更大,灵敏度实际值比仿真值会高很多。近年来,随着人们环保意识的增强及对健康问题的持续关注,用于模拟人类嗅觉系统机制的气体传感器在人们的生产生活占据着十分重要的地位,并在室内气体检测、食品安全检测、工业安全管理及疾病诊断等方面应用广泛。半导体技术和集成电路的不断发展使得高性能的气体传感器成为时代的需求。氧化锌因具有较高的导电性能、独特的物理化学性质、较低的成本及与标准cmos工艺兼容等优点,使其成为优异的气敏材料。气体传感器的性能与气敏材料的识别能力、转换能力及有效利用率密切相关。人们通过各种办法来提高氧化锌气体传感的性能,如元素掺杂、改变结构等,而设计具有多孔结构、大比表面积的氧化锌材料是有效改善气体传感器性能的方法之一。阳极氧化铝模板法制备出的纳米氧化锌气体传感具有较大的比表面积、丰富的表面活性位点、较高的气体扩散能力以及形状可控性对性能的提升具有重要作用[5]。以基于阳极模板模板的三维多孔结构纳米氧化锌气体传感器灵敏度的提升为核心进行研究。在详细阐述氧化锌气体传感器的工作原理的基础上,采用了氧化锌物理参数和表面态先验模型,即inttrap模型,利用silvaco半导体仿真软件研究了器件物理结构参数对性能的影响[6],具体包括孔径大小和氧化锌厚度两部分。仿真结果表明:利用aao模板法制备出的三种不同孔径的多孔纳米氧化锌气体传感器,它们具有相同的周期、厚度、深度、缺陷浓度,其中孔径最大的多孔纳米氧化锌气体传感器在室温下对二氧化氮气体灵敏度最高[7],通过仿真的i-v特性曲线计算得到的灵敏度逐渐提高。随着孔径的增大,整个结构的总电势增加,总电流密度分布更均匀,更利于载流子传输[8]。同时,孔径增大使得其比表面积增加。并通过实验验证,实验结果与仿真结果具有一致性。此外,阳极模板部分的氧化锌厚度比上下表面氧化锌厚度对灵敏度的影响相对更大,阳极模板部分和上下表面氧化锌厚度越小,灵敏度更高。因此,在实际器件制备的过程中,应尽可能将该气体传感器的孔径做得更大并将aao部分氧化锌厚度做得更薄以获得更高的灵敏度[9]。由于实际器件是由数以百万的孔组成,并且结构的深度更大,灵敏度实际值比仿真值会高很多。

2. 研究内容和预期目标

2.1 .主要研究内容

3. 研究的方法与步骤

本课题拟采用的研究方法、步骤

1.查阅相关文献，调研氧化锌的半导体气体传感器性能提升方法论文相关资料和氧化锌的半导体气体传感器应用的研究进展和发展状况。

4. 参考文献

[1]seiyama t, kato a, fujisishi k, nagatoni m. a new detector for gaseous components using semiconductive thin films.analytical chemistry, 1962,34,pp.1052-3.

[2]fawzy a, kiriakidis g.nanocrystalline zno thin film for gas sensor application, journal of ovonic research,2009. 5(1),pp.15-20.

5. 计划与进度安排

1、2022.11.11-2022.3.25

阅读文献，完成文献综述和开题报告，外文论文翻译。

2、2022.3.26-2022.5.15