退火温度对WO3薄膜结构及气敏性能的影响
纳米WO3的性质及应用

纳米WO3的性质及应用摘要:WO3是一种过渡金属半导体,位于元素周期表第 6 周期 VI B 族,带隙约为2.6eV,有着非常丰富的物理化学性能,本文就WO3性质及应用作一个简要的综述,并展望其发展方向。
关键词:WO3,性质,应用1 引言WO3是带隙约为2.6eV的过渡金属半导体,是一种重要的功能材料,因其优越的物理化学性能成为研究的热点。
WO3位于元素周期表第 6 周期 VI B 族,在自然界以钨华或钨赭石矿物态存,在空气和氧气中煅烧钨酸或仲钨酸铵,可以得到三氧化钨。
WO3的结构类似于ReO3的晶体,它的结构单元是钨离子位于八面体的中心,六个氧原子构成一个正八面体的顶点[1]。
退火温度和退火时间以及掺杂都对WO3的晶相有很大的改变。
WO3常见的晶系有单斜晶系,正交晶系,立方晶系和六方晶系。
WO3因其优越的物理化学性能在传感器,光电器件,太阳能电池,光催化等领域都有广泛的应用。
本文在前人研究的基础上就WO3的结构性质及应用作简要的概述。
2 性质及应用WO3的密度为7.2~7.4 g/cm3,沸点1700~2000℃之间,高于800℃时显著升华,三氧化钨不溶于除氢氟酸以外所有的无机酸,但易溶于碱金属氢氧化物的水溶液和碱金属氢氧化物及碳酸盐的溶体中。
水热法制备WO3的过程中很容易带上结晶水而得到WO3.nH2O,对其进行退火就能脱水得到WO3,很多科学家在上个世纪都对带结晶水的WO3进行过研究,发现其与WO3的性质并无不同。
2.1 气敏性能WO3具有很好的气敏性能,是一种很好的气敏材料,利用这一性质,可以制作为气敏传感器。
研究表明,氧化钨基气敏材料能准确检测出H2S,O3,NH3,NO2等,被认为最有前景的气敏材料之一。
WO3纳米材料由于比较面积大,所以具有较强的吸附功能,当它与空气中的H2、NH3接触时,会发生如下反应[2]:A+为H、Na等阳离子,当阳离子注入透明的WO3薄膜时, WO3的颜色由淡黄变为深蓝,AxWO3是含W5+的钨青铜。
退火温度对BCZT外延薄膜电学性能的影响及其导电机制分析

退火温度对BCZT外延薄膜电学性能的影响及其导电机制分析彭倩文;吉祥【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2024(53)1【摘要】脉冲激光沉积技术制备Ba_(0.85)Ca_(0.15)Zr_(0.1)Ti_(0.9)O_(3)(BCZT)外延薄膜时通常需要较高的沉积温度,且易含有氧空位缺陷。
本文旨在提供一种基于脉冲激光沉积技术接后退火处理工艺,并成功在导电基板上制备了高质量BCZT外延薄膜,探究了退火温度对BCZT外延薄膜结构和性能的影响。
不同温度(750、800、850和900℃)退火后薄膜均呈现纯净物相,且随着退火温度的升高,薄膜的铁电性能逐渐提高,2Pr由4.2μC/cm^(2)提升至17.6μC/cm^(2),但900℃退火温度下薄膜样品的漏电流问题最严重。
通过拟合J-E关系表明,低电场下700℃至850℃退火后的薄膜均遵循欧姆导电机制,而900℃退火后的薄膜遵循空间电荷限制电流机制,高电场下所有退火温度下的薄膜均遵循福勒-诺德海姆隧穿机制。
【总页数】8页(P82-89)【作者】彭倩文;吉祥【作者单位】化学与精细化工广东省实验室潮州分中心;中国矿业大学材料与物理学院【正文语种】中文【中图分类】O484【相关文献】1.退火温度对ZrO2高介电薄膜电学性能的影响2.退火温度对N掺杂ZnO薄膜结构和电学性能的影响3.退火处理对氧化锌透明导电薄膜的结构及电学性能的影响4.退火温度对ZnO薄膜晶体管电学性能的影响(英文)5.退火时间对射频溅射p型透明SnO_2/Al/SnO_2导电薄膜结构、形貌、光学和电学性能的影响(英文)因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
热处理工艺中的退火温度的选择及其影响

热处理工艺中的退火温度的选择及其影响热处理是金属材料加工中常见的一种方法,通过控制材料的加热和冷却过程,改变其组织和性能。
其中,退火是一种重要的热处理工艺,通过加热材料到一定温度,然后缓慢冷却,使材料的晶粒尺寸得到调整和恢复,进而提高材料的机械性能和加工性能。
退火温度的选择是热处理中的一个关键因素,它直接影响着材料的组织和性能。
在退火过程中,温度过高或过低都会导致退火效果不理想,因此需要根据具体的材料类型和要求来选择合适的退火温度。
下面将介绍热处理工艺中退火温度的常见选择及其影响。
一、退火温度的选择1. 材料类型:不同材料的退火温度范围存在差异,常见的金属材料如铝、铜、钢等都有各自适宜的退火温度范围。
退火温度的选择应参考材料的相变温度、晶粒尺寸和组织状况等因素,以及对材料性能的要求。
2. 材料性能要求:退火温度的选择与对材料性能的要求密切相关。
例如,对于具有较高硬度和强度的材料,适当提高退火温度可使晶粒维持较大尺寸并降低材料的硬度和强度。
而对于需要增强材料韧性、改善塑性的情况,降低退火温度则是更合适的选择。
3. 加工工艺要求:退火温度的选择也受到加工工艺的要求影响。
比如,在冷轧、冷拔等冷变形后,需要对材料进行退火,使其恢复变形过程中产生的应力和应变,从而提高材料的塑性和可加工性。
此时,退火温度的选择会考虑到冷变形程度和退火后所需的特定性能。
二、退火温度的影响1. 晶粒尺寸和组织:退火过程中的温度对材料的晶粒尺寸和组织有直接影响。
合适的退火温度能使晶粒细化,提高晶界强度和材料的硬度。
在铝合金等材料中,退火温度过高会导致晶粒长大而影响其塑性和韧性,而温度过低则会增加晶界的形成,降低材料的韧性。
2. 材料性能:退火温度的选取对材料的力学性能、物理性能和化学性能有着明显的影响。
例如,适当的退火温度可以提高材料的延展性和塑性,降低材料的硬度和强度。
而对于高强度材料,较高的退火温度可引起再结晶,使材料晶粒细化,提高韧性和强度。
退火温度对Al掺杂ZnO薄膜结构和性能的影响

收稿 日期 :2 1 6 1 0 卜0 — 2
ห้องสมุดไป่ตู้
基金项 目 :湖南省教育厅科研基金资助项 目 ( 9 3 1 0C 2 ) 作者简介 :李雪勇 ( 9 3 ,男 ,湖南嘉禾人 ,湖南工业大学讲 师 ,中南 大学博士生 ,主要从事光 电功能薄膜材料 的研究 , 17 -)
第 2 卷 第 5期 5 21年 9 01 月
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南
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Vo .5NO 5 1 . 2 S p 01 e .2 1
J u n l f n n Un v r i f c n l g o r a o Hu a i e s yo h o o y t Te
退火温度对 A 掺杂 Z O薄膜结构和性能的影响 l n
物 (rnp rn cn ut go ie C t sae t o d c n xd ,T O) a i 薄膜也 随之
ZA )在 可见 光 区域内具有 较高 的透射 率 和较 低 的 O 电阻率 ,与 I O薄膜相 比,Z T AO薄膜 中的 Z O价格 n 便宜 ,来 源丰 富 ,无 毒 ,在氢 等离子 体 中的稳定 性
Ab ta t h n AI Z sr c :T eZ O: ( AO )f ms r e o i do ls b t ts yu igaDC a t ema n to p t r i ed p s e nga s u s ae s r ci g erns ut — l we t s r b n e v e
s n等材料 自然储量少 ,且 IO薄膜制备 工艺复杂 、成 T
本高 、有 毒 、稳 定性 差 ,从而 限制 了它 在实 践 中的 广泛使用 。A 掺杂 的 Z O透 明导 电薄膜 ( n A1 l n Z O: ,
不同退火条件对PEALD制备的Ga_(2)O_(3)薄膜特性的影响

annealing in different annealing atmospheres, and the increase in the proportion of N2 in annealing atmosphere is beneficial to
the recrystallization of Ga2 O3 . Furthermore, the effect of annealing time was further studied under N2 atmosphere, and the
中图分类号:O47;O484(2021)05-0838-07
Effects of Different Annealing Conditions on the Characteristics of
Ga2 O3 Thin Films Prepared by PEALD
stabilize after annealing for 30 min, and the surface grain density no longer increases. In addition, the average transmittance
of the sample in the range of 400 nm to 800 nm is almost 100% , and the light absorption edge is steep. Annealing in N2
Ga2 O3 作为氮化镓半导体的外延衬底制作垂直结构光电器件也非常具有吸引力 [14-15] 。 尽管同质外延 Ga2 O3
薄膜获得了高导通电压和低漏电流的金属-半导体场效应晶体管 [16] , 但由于体材料衬底昂贵, 目前制备
Ga2 O3 薄膜多采用异质外延生长方法,制备方法主要有:金属有机物化学气相沉积( MOCVD) [17-18] 、分子束外
退火温度对Ta_(2)O_(5)薄膜光学和表面特性的影响

退火温度对Ta_(2)O_(5)薄膜光学和表面特性的影响
李坤;何延春;王兰喜;周超;贺颖;王虎;王艺;熊玉卿
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2024(30)1
【摘要】针对退火温度影响Ta_(2)O_(5)薄膜的光学和表面特性的问题,采用电子
束蒸发技术在石英基底上制备了该薄膜,并将薄膜样品分别在200℃、400℃和600℃下进行退火。
利用光谱仪测试了薄膜的透射率并反演计算得到薄膜的折射率和消光系数的变化规律,采用X射线衍射仪和原子力显微镜表征了薄膜的表面性能。
研究表明,薄膜透射率曲线的峰值随退火温度升高而显著提升。
随着退火温度升高,
薄膜的折射率和消光系数均逐渐变大,表面粗糙度呈现下降的趋势,表面变得致密。
退火前后薄膜均为非晶态。
该研究为进一步提高Ta_(2)O_(5)薄膜的性能提供了试验数据。
【总页数】5页(P78-82)
【作者】李坤;何延春;王兰喜;周超;贺颖;王虎;王艺;熊玉卿
【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O484.41
【相关文献】
1.退火温度对Ce掺杂ZnO薄膜光学特性影响的研究
2.Al掺杂原子分数及退火温
度对ZnO薄膜光学特性的影响3.退火温度度对MoS_(2)薄膜光学学性能的影响
4.TiO_(2)纳米管表面聚合物辅助沉积Ta_(2)O_(5)涂层对MC3T3-E1细胞生物学活性的影响
5.退火温度对镁合金表面Nb_(2)O_(5)涂层微观结构与性能的影响
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退火温度和时间对制备多晶硅薄膜的影响

退火温度和时间对制备多晶硅薄膜的影响摘要:通过PECVD法于不同温度直接沉积非晶硅(a-Si∶H)薄膜,选择于850℃分别退火2h、3h、6h、8h,于700℃分别退火5h、7h、10h、13h,于900℃分别退火1h、3h、8h,分别于720℃、790℃、840℃、900℃、940℃退火1h,然后用拉曼光谱和SEM进行对比分析,发现退火温度与退火时间的影响是相互关联的,并且出现一系列晶化效果好的极值点。
关键词:PECVD法;非晶硅薄膜;多晶硅薄膜;二次晶化;拉曼光谱;扫描电镜0引言太阳能电池作为一种清洁能源正越来越受到人们的重视。
太阳能电池分为单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池等。
单晶硅和多晶硅电池技术成熟、效率高,但成本较高。
薄膜材料与单晶硅和多晶硅材料相比,在成本降低方面具有诱人的前景。
硅薄膜材料分非晶硅和多晶硅2种,非晶硅薄膜材料制造工艺相对简单,但转换效率低、寿命短、稳定性差,将其进一步晶化成寿命长、转换效率相对高的多晶硅薄膜材料被认为是薄膜太阳能电池未来发展的方向,将非晶硅薄膜材料二次晶化成为多晶硅薄膜是有意义的研究方向。
多晶硅薄膜泛指晶粒在几(十)纳米到厘米级的硅薄膜。
制备多晶硅薄膜主要包括2个过程---沉积硅膜和再晶化。
2个过程都可采用不同的方法。
沉积可采用化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。
低温下沉积硅薄膜难以形成较大的晶粒,不利于制备较高效率的电池,需要通过二次晶化技术,提高晶粒尺寸。
目前,二次晶化的方法主要有固相晶化法(SPC)金属诱导晶化(MIC)、区熔晶化(ZMR)等。
本实验先用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD法)在玻璃上低温沉积非晶硅薄膜,再利用常规电阻加热炉退火制备多晶硅薄膜。
1实验第一步,将清洗过的石英玻璃衬底置于PECVD系统中,射频辉光放电分解SiH4+H2制得非晶硅薄膜。
真空度为5.6×10-4Pa,氢稀释比为95%,沉积室中电极间距为2cm,工作气压为133.3Pa,放电功率为60W,沉积时间为2.5h,厚度约为0.84μm。
磁控溅射WO3薄膜的制备及其NO2气敏特性研究

文章编号:1001G9731(2015)07G07118G04磁控溅射WO3薄膜的制备及其N O2气敏特性研究∗沈岩柏,范安锋,张宝庆,曹先敏,魏德洲,刘文刚,高淑玲(东北大学资源与土木工程学院,沈阳110819)摘㊀要:㊀采用直流反应磁控溅射法,在室温条件下通过改变放电气体压强制备出具有不同膜密度的W O3薄膜.结构表征结果表明,由单斜晶W O3纳米颗粒组成的薄膜具有层状结构,随着放电气体压强的增加,膜密度呈下降趋势.气敏特性研究结果表明,由W O3薄膜制备而成的气体传感器在工作温度为200ħ时获得对N O2气体的最大灵敏度,并在50~300ħ的工作温度范围内对N O2气体均展现出良好的气敏特性.在相同的检测条件下,气体灵敏度随着膜密度的减少而增加.关键词:㊀WO3;薄膜;磁控溅射;N O2;气敏特性中图分类号:㊀T N304.92文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001G9731.2015.07.0261㊀引㊀言随着科学技术的发展和工业生产规模的扩大,在生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体种类及数量也在不断增加.在这些气体中,有些是易燃易爆的,有些是有毒的,它们若泄漏到空气中就会严重地污染环境,并有引发爆炸㊁火灾或使人中毒的潜在危险[1G2].其中,二氧化氮(N O2)是一种具有刺激性气味和腐蚀性的气体,是形成酸雨和光化学烟雾的主要因素,主要来源于矿业开采的爆破工作㊁工业燃料的燃烧㊁城市汽车尾气以及硝酸和含氮肥料的生产过程中,对人体健康危害较大[3].因此,开发高性能的N O2气体传感器以进行快速㊁准确㊁便携的检测非常必要,不仅可以有效地避免潜在安全事故的发生,同时还为后续的有害气体处理提供了可靠的前期监测保障.在种类繁多的气体传感器中,金属氧化物半导体型气体传感器因其具有灵敏度高㊁响应/恢复速度快㊁易于集成和价格低廉等优点而得到广泛应用.目前,开发出的n型半导体氧化物气敏材料,如S n O2㊁WO3㊁I n2O3等对N O2气体已经表现出良好的气敏特性[4G6].然而,这些气体传感器仍然存在着工作温度要求高(200ħ以上)㊁气体选择性差和寿命短等缺点,提高该类气体传感器的综合性能 3S ,即灵敏性(s e n s iGt i v i t y)㊁选择性(s e l e c t i v i t y)和稳定性(s t a b i l i t y),已经成为当前及今后科研工作者的研究重点.本文采用直流反应磁控溅射法,在室温条件下通过改变放电气体压强制备出了具有不同膜密度的WO3薄膜,并利用X射线衍射(X R D)㊁扫描电子显微镜(S E M)和膜密度测定对薄膜进行了结构表征;随后将这些WO3薄膜沉积在电极上制备成气体传感器元件,考察了其在不同工作温度和N O2浓度条件下的气敏特性,并分析了气体灵敏度与膜密度之间的关联性.2㊀实验材料和方法2.1㊀薄膜样品的制备采用直流反应磁控溅射法,首先在表面洁净的氧化硅基片上通过溅射法制作铂金叉指电极,然后在电极上沉积WO3薄膜,其详细的镀膜条件如表1所示. WO3薄膜的厚度约为300n m,随后将薄膜在空气中于600ħ温度下进行4h的热处理,以保证薄膜结构和气敏特性的稳定.表1㊀WO3薄膜的镀膜条件T a b l e1P r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s o fWO3t h i n f i l m s条㊀件参㊀数靶材99.99%W本底真空/P a4ˑ10-4放电气体压强/P a0.4~12放电气体50%A r+50%O2放电电流/m A50放电电压/V540~420基片温度/ħ室温(24ħ)膜厚/n m约3002.2㊀薄膜样品的表征采用荷兰帕纳科公司的X P e r tP r o型X射线衍射仪对薄膜的物相组成进行分析,利用德国蔡司公司的U l t r aP l u s型场发射分析扫描电镜对薄膜的微观形貌进行观察,分别利用瑞士梅特勒G托利多公司的MTG5型电子分析天平和日本东京精密公司的S u r f c o m 1500D X型表面粗度仪来测定薄膜的质量和厚度,用以薄膜密度的计算.2.3㊀气敏特性测定方法气敏特性的测定装置主要由配气系统㊁加热系统811702015年第7期(46)卷∗基金项目:国家优秀青年科学基金资助项目(51422402);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N120501002);教育部高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助项目(20130042120033);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(47G3);辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助项目(L J Q2013025)收到初稿日期:2014G09G22收到修改稿日期:2014G11G21通讯作者:沈岩柏,EGm a i l:s h e n y a n b a i@m a i l.n e u.e d u.c n 作者简介:沈岩柏㊀(1978-),男,黑龙江密山人,博士,教授,从事半导体气体传感器㊁矿物材料㊁资源与环境微生物技术研究.及检测系统3部分组成.配气系统通过质量流量控制计来调节N O2和干燥空气的体积及流量,以获得浓度为(1~10)ˑ10-6的N O2气体,混合气体总流量固定在200m L/m i n.加热系统通过管式炉对气敏元件进行温度控制,调节工作温度至50~300ħ范围内.检测系统是将气敏元件放置在配有石英管的管式电炉中,连接好电路后,采用伏安法由A g i l e n t34972A数据采集器记录气敏元件在干燥空气和一定浓度N O2气体下的电阻变化.在本文中,WO3薄膜对N O2气体的灵敏度(S)定义为S=R g-R aR a㊀㊀其中,R a和R g分别为WO3薄膜在干燥空气和一定浓度N O2气体下的电阻值.3㊀结果与讨论膜密度与放电气体压强之间的关系如图1所示.㊀㊀㊀图1㊀膜密度与放电气体压强之间的关系F i g1F i l md e n s i t y a s a f u n c t i o n o f d i s c h a r g e g a s p r e sGs u r e㊀㊀在放电气体压强为0.4P a条件下的薄膜密度为7.15g/c m3,其数值接近于WO3材料的体积密度7.3g/c m3,表明组成该薄膜的WO3纳米颗粒之间的接触非常紧密,孔隙率较小;随着放电气体压强的增加,膜密度呈下降趋势,在放电气体压强为12P a条件下的薄膜密度为4.91g/c m3,表明组成该薄膜的WO3纳米颗粒之间的接触较为疏松,孔隙率较大.对研究结果分析可知,膜密度随放电气体压强增加而呈下降的趋势是由于薄膜孔隙结构随着放电气体压强的增加而逐渐形成和发展所导致的.图2为具有不同膜密度的WO3薄膜的X R D图谱.图2(a)G(d)分别对应膜密度为7.15,6.72,5.51和4.91g/c m3的薄膜.从图2可以看出,随着膜密度的逐渐减小,(002)衍射峰的强度有所削弱,而(200)衍射峰的强度则逐渐增强.虽然4个薄膜的晶体取向稍有不同,但每个X R D图谱均表明单斜晶WO3结构的形成(J C P D S43G1035).由谢乐公式对(200)衍射峰进行计算可知,WO3结晶粒子尺寸随着膜密度的减小呈微弱下降趋势,从20n m逐渐减小至16n m.㊀㊀㊀图2㊀WO3薄膜的X R D图谱F i g2X R D p a t t e r n s o fWO3t h i n f i l m s㊀㊀WO3薄膜的扫描电镜照片如图3所示.图3㊀WO3薄膜的S E M照片F i g3S E Mi m a g e s o fWO3t h i n f i l m s 91170沈岩柏等:磁控溅射WO3薄膜的制备及其N O2气敏特性研究㊀㊀图3(a)G(d)分别对应膜密度为7.15,6.72,5.51和4.91g/c m3的薄膜.由图3S E M断面图可见,由单斜晶WO3纳米颗粒组成的薄膜通常具有倾斜的层状结构,该结构是在薄膜经过热处理之后所形成的.这些层状结构具有不同的生长方向,而沿同一方向的层状结构形成较大的柱状颗粒并被裂缝所分割开(见图3S E M表面照片).随着膜密度的逐渐减小,柱状颗粒尺寸由40n m逐渐增大到100n m,薄膜表面和内部的孔状结构也呈增加趋势,间接表明薄膜的多孔化可以提供更多的表面积用于与被检测气体的吸附反应.对比结晶粒子尺寸和柱状颗粒尺寸可以看出,对于致密性薄膜,柱状颗粒仅由几个结晶粒子所组成;而对于多孔性薄膜,柱状颗粒则由多个结晶粒子所组成.图4所示为具有不同膜密度的WO3薄膜在200ħ时对1ˑ10-6的N O2气体的动态响应G恢复曲线.随着膜密度的减小,WO3薄膜在干燥气体中的电阻值R a逐渐增加,该趋势与文献[7]中报道的相一致,即多孔膜表现出更高的电阻值.此外,随着膜密度的减小,通入N O2气体后的电阻变化也逐渐增大,表明气体灵敏度呈现增加趋势.随着膜密度的减小,响应时间呈逐渐缩减趋势,而恢复时间则呈逐渐增加趋势,这主要是由于氧化物半导体对被检测气体的响应及恢复是一个复杂的物理化学过程,包括表面吸附/解吸㊁氧在微晶间的扩散㊁气体在孔间的扩散等,其与薄膜的微结构密切相关[8G9].图4㊀WO3薄膜在200ħ下对1ˑ10-6的N O2气体的动态响应G恢复曲线F i g4R e s p o n s eGr e c o v e r y c u r v e so fWO3t h i n f i l m s t o1ˑ10-6N O2g a s a t a n o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e o f200ħ㊀㊀WO3薄膜的气体灵敏度与工作温度之间的关系如图5所示,其中N O2气体浓度为1ˑ10-6.从图5可以看出,对于任意膜密度的WO3薄膜,其灵敏度均随着工作温度的升高而逐渐增大,并在200ħ的工作温度下获得对N O2气体的最大灵敏度,随后工作温度继续升高,灵敏度开始下降,这是由于WO3薄膜的气敏性能不仅与薄膜材料本身有关,还与气体与薄膜材料的表面吸附/解吸作用有很大的关系[10G11].在工作温度较低时,薄膜表面的化学吸附氧较少,活性也较低,导致其与气体吸附作用较弱,因而灵敏度较低;当工作温度过高时,薄膜表面的反应速度过快,限制了N O2气体的扩散,使得薄膜表面被吸附的气体浓度较小,同样会引起灵敏度的下降,因此会出现一个获得最大灵敏度的工作温度.随着膜密度从7.15g/c m3减小到4.91g/c m3,在工作温度为200ħ时的最大灵敏度从4增加到456.图5㊀WO3薄膜对1ˑ10-6的N O2气体灵敏度与工作温度之间的关系F i g5R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r e s p o n s e s o fWO3t h i nf i l m s t o1ˑ10-6N O2g a s a n d o p e r a t i n g t e m p e rGa t u r e㊀㊀由图4和5的研究结果表明,气体灵敏度与膜密度关系十分密切.从图6可以看出,气体灵敏度随着膜密度的减小而呈上升趋势,这主要是由于在固定工作温度及N O2气体浓度条件下,对于致密性薄膜, WO3薄膜与N O2气体的反应主要发生在WO3薄膜的上表面,而只有极少数的反应发生在薄膜的孔内;对于多孔性薄膜,WO3薄膜与N O2气体的反应则主要发生在WO3薄膜的上表面和柱状颗粒的外表面,其提供参与反应的表面积较大,因此灵敏度呈增加趋势.图6㊀WO3薄膜在200ħ时对1ˑ10-6的N O2气体灵敏度与膜密度之间的关系F i g6R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r e s p o n s e s o fWO3t h i nf i l m s t o1ˑ10-6N O2g a s a n d f i l md e n s i t y a t a no p e r a t i n g t e m p e r a t u r e o f200ħ㊀㊀为了进一步探讨WO3薄膜的气敏特性,还考察了其对不同浓度N O2气体的响应及恢复情况,以膜密度为5.51g/c m3的薄膜为例,结果如图7所示.随着N O2气体浓度的增加,WO3薄膜的电阻变化逐渐递增,表明其灵敏度也逐渐增大.该薄膜对于浓度为1ˑ10-6,3ˑ10-6,5ˑ10-6和1ˑ10-5的N O2气体的灵敏度分别为43,84,200和437.此外,当任意浓度的N O2气体被排出后,WO3薄膜的电阻均可恢复至初始值,表明了其优越的稳定性和重现性.021702015年第7期(46)卷㊀㊀㊀图7㊀膜密度为5.51g /c m 3的WO 3薄膜在200ħ时对不同浓度N O 2气体的动态响应G恢复曲线F i g 7R e s p o n s e Gr e c o v e r y c u r v e s o f WO 3th i nf i l m w i t haf i l m d e n s i t y of5.51g /c m 3t ov a r i o u s N O 2ga sc o n c e n t r a t i o n sa ta no p e r a t i n g t e m Gpe r a t u r e of 200ħ4㊀结㊀论(1)㊀采用直流反应磁控溅射法,在室温条件下通过改变放电气体压强制备出了具有不同膜密度的WO 3薄膜.(2)㊀WO 3薄膜的结构表征结果表明,由单斜晶WO 3纳米颗粒组成的薄膜具有层状结构,随着放电气体压强从0.4P a 增加到12P a ,膜密度从7.15g /c m 3下降至4.91g /c m 3,形成的柱状颗粒尺寸由40n m 增大到100n m .(3)㊀气敏特性研究结果表明,由WO 3薄膜制备而成的气体传感器在工作温度为200ħ时获得对N O 2气体的最大灵敏度,并在50~300ħ的工作温度下对N O 2气体均展现出良好的气敏特性.在相同的检测条件下,气体灵敏度随着膜密度的减少而增加.参考文献:[1]㊀B a r r e c aD ,B e k e r m a n nD ,C o m i n iE ,e t a l .1DZ n O n a n o Ga s s e m b l i e s b ypl a s m a GC V Da s c h e m i c a l s e n s o r s f o r f l a m Gm a b l ea n dt o x i c g a s e s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B :C h e m i c a l ,2010,149(1):1G7.[2]㊀N i uX i n s h u ,C u iT i a n l u ,L uX i n ,e t a l .S yn t h e s i s ,c h a r a c Gt e r i z a t i o na n d g a ss e n s i n gp r o pe r t i e sof WO 3w i t hi n t e r Gw o v e nn e t w o r k s [J ].J o u r n a lo fF u n c t i o n a l M a t e r i a l s,2011,42(8):1524G1526.[3]㊀C a o Z h i ,G a o Z h i h u i ,Y a n g Y o n g ,e ta l .E x p e r i m e n t a l s t u d y o fN O 2co n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t b a s e do ne x t e r Gn a lm o d u l a t i o n [J ].L a s e r J o u r n a l ,2012,33(5):34G35.[4]㊀L i uC h e n g ,L i uY i n g ,X i eY u t a o ,e t a l .S yn t h e s i sa n d g a s s e n s i n gp r o p e r t i e s o f f l o w e r s Gl i k eP t Gd o p e dS n O 2na n o m a Gt e r i a l s [J ].J o u r n a l o fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s ,2011,42(1):139G143.[5]㊀S h e nY a n b a i ,Y a m a z a k iT o s h i n a r i ,L i uZ h i f u ,e t a l .I n f l u Ge n c e o f e f f e c t i v e s u r f a c e a r e ao n g a s s e n s i n gp r o pe r t i e sof WO 3s pu t t e r e d t h i n f i l m s [J ].T h i nS o l i dF i l m s ,2009,517(6):2069G2072.[6]㊀L i u J i j i a n g ,C h e nG a n g ,Y uY a o g u a n g ,e t a l .F a c i l e s y n t h e Gs i s a n d g a s s e n s i n gp r o p e r t i e s o f I n (OH )3a n d I n 2O 3mi Gc r o c u b e s [J ].J o u r n a lo fF u n c t i o n a l M a t e r i a l s ,2013,44(S 2):301G306.[7]㊀S h e nY a n b a i ,Y a m a z a k i T o s h i n a r i ,L i uZ h i f u ,e t a l .P o r o u sS n O 2sp u t t e r e d f i l m sw i t hh i g hH 2s e n s i t i v i t y a t l o wo p e r Ga t i o n t e m pe r a t u r e [J ].T h i nS o l i dF i l m s ,2008,516(15):5111G5117.[8]㊀K o r o t c e n k o vG.G a sr e s p o n s ec o n t r o l t h r o u ghs t r u c t u r a l a n dc h e m i c a lm o d i f i c a t i o no f m e t a lo x i d ef i l m s :s t a t eo f t h ea r ta n da p pr o a c h e s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s B :C h e m i c a l ,2005,107(1):209G232.[9]㊀L i uZ h i f u ,Y a m a z a k iT o s h i n a r iY ,S h e nY a n b a i ,e t a l .I n Gf l u e n c eo fa n n e a l i n g o n m i c r o s t r u c t u r ea n d N O 2Gs e n s i n gp r o p e r t i e so f s p u t t e r e d WO 3th i nf i l m s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB :C h e m i c a l ,2007,128(1):173G178.[10]㊀Y i nY i n g z h e ,H u M i n g ,F e n g Y o u c a i ,e t a l .S t u d y on g a s s e n s i n g Gc h a r a c t e r i s t i c so f WO 3th i nf i l m m a n u f a c t u r e d b y d c r e a c t i v em a g n e t r o n s p u t t e r i n g [J ].C h i n e s e J o u r n a l o f S e n s o r s a n dA c t u a t o r s ,2007,20(4):760G762.[11]㊀C a n t a l i n i C ,S u nH T ,F a c c i o M ,e t a l .N O 2se n s i t i v i t y of WO 3th i n f i l mo b t a i n e db y h i g hv a c u u mt h e r m a l e v a p o Gr a t i o n [J ].S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB :C h e m i c a l ,1996,31(1):81G87.P r e p a r a t i o na n dN O 2s e n s i n g o f s pu t t e r e d W O 3t h i n f i l m s S H E N Y a n Gb a i ,F A N A n Gf e n g ,Z H A N GB a o Gq i n g,C A O X i a n Gm i n ,W E ID e Gz h o u ,L I U W e n Gg a n g ,G A OS h u Gl i n g(C o l l e g e o fR e s o u r c e s a n dC i v i l E n g i n e e r i n g ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110819,C h i n a )A b s t r a c t :WO 3th i n f i l m sw i t hd i f f e r e n t f i l m d e n s i t i e sw e r ed e p o s i t e du n d e rv a r i o u sd i s c h a r g e g a s p r e s s u r e sa t r o o mt e m p e r a t u r eu s i n g d c r e a c t i v em a g n e t r o n s p u t t e r i n g.S t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o n s h o w s t h a t t h e f i l m sw i t h a l a y e r e d s t r u c t u r e a r e c o m p o s e d o fm o n o c l i n i cWO 3n a n o g r a i n s .T h e f i l md e n s i t y w a s d e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n g d i s c h a r g e g a s p r e s s u r e .G a s s e n s o r s b a s e d o n WO 3t h i n f i l m s o b t a i n t h e h i g h e s t r e s p o n s e a t 200ħa n d s h o wr e Gv e r s i b l e r e s p o n s e t oN O 2ga sa t t h eo p e r a t i n g t e m p e r a t u r eo f 50G300ħ.T h e r e s p o n s ew a s i n c r e a s e dw i t hd e Gc r e a s i n g f i l md e n s i t y u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s .K e y w o r d s :W O 3;t h i n f i l m ;m a g n e t r o n s p u t t e r i n g ;N O 2;s e n s i n gp r o p e r t y12170沈岩柏等:磁控溅射WO 3薄膜的制备及其N O 2气敏特性研究。
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a n ae t 5 -5 0℃ . fe t o n e l g t mp r tr n t e s u t r n a —e sn r p riso et i l r n e l d a 0 3 5 E f cs fa n ai e e au eo t cu e a d g ss n i g p o e t f h h n f mswe e n h r e t i
第 2 卷 第8 8 期 20 0 9年 8月
电
子
元
件
与
材
料
V 1 8NO 8 b . . 2
ELECTRoNI C COM PONENTS AND M ATERI S AL
Ag20 u . 09
退 火 温 度 对 W O 薄膜 结构 及气 敏 性 能 的影 响 3
收稿 日期 :20 —60 090 .3 通讯 作者 :杨 晓红
基 金项 目:重 庆市教 育委 员会 科学 技术研 究 资助项 目( o K 0 0 0 ) N . J 7 8 4
作 者简介 :杨 晓红 (9 8 ) 16 - ,女,陕两 西安人 ,副教授 ,博士 ,主 要从 事纳米 薄膜材 料的研 究 ,Tl(2 ) 56 10 — iy h @cn. u n 。 e:03 6 32 7 ,Ema : l q u d . lx e c
型晶态; 随退火温度 的提 高, 薄膜厚度增加 , 晶粒度增 大。 5 ℃退火后 薄膜 的厚度 , 40 50 较 5 ℃退火后薄膜厚 3 0 m, a
晶粒度相差 8 m;4 0℃和 5 0 n 5 5 ℃退火后 的薄膜 ,在 10℃时对体积分数为 00 %的 NO 的灵敏度接近于 2 。 5 . 5 2 2
杨 晓红 ,马 勇 , 康 庆
404 ) 0 0 7 ( 重庆师范大学 物理学与信 息技术学院,重庆
摘要 :采用直流磁控 溅射 法制备 了 WO 薄膜 ,并在 30 5 0℃时对 薄膜进行退 火处理,研 究 了退火温度对薄 5 5 膜结构及 气敏 性能的影 响 结果表明: 退火前及 30℃退火后的薄膜 为非晶态,5 5 4 0℃和 5 0℃退 火后的薄膜 为 WO3 5
初期 , 9 5年 日本 Io e等…从实 用 的角度 出发开 发 19 nu 了 N 2气 体传感器 ,在 比较 研究 了不 同 的金属氧 化 O 物后 ,WO 基 N 2 敏传 感器被 认为 有 良好 的应用 3 O气
前景 。 近年 来 , WO3 气敏 材料 由于对 某些气 体 ( 基 如 O 、NO 、NO、NH 和 H S 3 2 3 2 )具 有很好 的灵敏度 和
衍射 角 2 变化 范 围为 5 至 6 。 。 O ,步长 为 00 。 .5 。薄膜 厚度 的测量采用 Ambo 公 司 X — l台阶 仪 ,台阶 高 is P 度重 复率为 1 m, 竖直 分辨率/ n 量程 为 01 m/Og . n l m。 5
些切 变 面是 无 规 则 分布 的 ,即 分布 于 各 个方 向上 ; X . ≥00 2后切 变面 就 呈现 出相 互平 行排 列 的趋势 ,而 变得有 序 。由于 W O 的 晶体 结构没 有 很好 的对称 J 3 性 L,退火 处理 使 WO 9 J 的 晶体结 构产 生 了一 定程度 的扭 曲而发 生 相 变 ,其 相 变 与退 火 温 度和 晶粒 尺 寸
选择性 而 受到 了广 泛 的关注 , 已发展 成 为极 有 发展 前途的气敏 材料 I 。但 WO 薄膜 的研 究却较少 。 2 】 3
1 实验
采用 直流磁 控溅 射法 制备 WO 薄膜 。靶 材是纯 度为 9. 99 %的钨 靶 ,本底真 空为 6 l- P ,靶基距 x 04 a 为 7cl n,溅 射气 体为氩 气和 氧气 的混合气 体 。当系 统 真 空度 达 到本 底 真 空后 ,将 氩 气和 氧 气在 混气 室 中混 合 ( 的体积 分数 为 3 %) 然 后通过 一个 精密 O2 0 ,
称 CS 面) 的形成 ,而切变 面 上 的氧空 位被 消 除 ,这 就是通 常 的 WO3 合物 。理 论 上 , <00 一化 . 2时 ,这
采 用 岛津 XR 6 0 射 线衍射 仪对 所制 备的 D 00X
薄膜进 行结构分 析 ( u靶 ,K 1 =0140 m) C a, . 5 1 n ,
su id T e rsl h w h ta —e o ie hn f msa dt i i n eld a 5 ℃ ae a r h u . h hn fl tde . h eut s o ta sd p std ti l n hn f msa n ae t3 0 s i l r mop o s te ti ms i
第 2 卷 第 8 期 8
杨 晓 红 等 :退 火 温 度 对 W O 薄 膜 结 构 及 气 敏 性 能 的影 响 3
5 1
流为 01 A,电压为 5 0V,在 室温 下溅 射 ,持续 9 .2 6 0 mn i 。进行 溅射 前 ,在 68 1-P .X 02 a的氩 气 环境 下 ,用 氩 离子 轰击 衬底 表面 1 n 0 mi 。衬 底采 用 载 玻片 ( 5 2 mmx 5m ,用 去离 子水 、丙酮 和 酒精 反复 清洗 , 2 m) 然 后用 氮 气 吹干 。薄 膜 样 品退 火 在 管 式 退 火炉 中进 行 ,退 火气 氛 为 N2( 纯度 为 9 .%) 99 ,退 火温 度分 别
WO 基气 敏传感 器 的研 究始 于 2 3 0世纪 9 0年 代
的稳 定 结构 。 笔者 对磁 控 溅 射 WO3薄膜 退 火前 及 3 0 5 0℃退 火后 薄膜样 品 的结构 、 5 ~5 形貌和 气敏性 能 进行 了表征 ,分析 了退 火温度 对 WO3 薄膜 的结构 、 厚度 和气敏 性能 的影 响,并探 讨 了相关机 理 。
关键词 : WO 薄膜;退 火; 晶体结构;气敏性 能
d i1.9 9 .s . 0 —0 8 0 9 80 4 o: 0 6  ̄i n1 1 2 . 0 . .1 3 s 0 2 2 0
中 图 分类 号 : 4 :T 2 2 06 9 P 1
文 献 标识 码 : A
文 章编 号 :0 1 0 8 (0 9 80 5 .3 10 — 2 2 0 )0 .0 00 2
℃ t .5 (ou a t n NO2 sa o t 2a r igtmp rtr f1 0℃ . OO0 % v lmef ci ) r o b u t i 2 wokn e eaueo 5
K e w o ds W O 3t i l ; n ai g; r t l tu t r ga —e i r pet y r : h nf m a ne ln c ysa r c u e; ss nsng p o ry i s
气敏 性 能测 试 室采 用 石英 玻璃 管 ( 内径 为 1 . 25 m m,长 度 4 00mm) 0. ,加 热器 置于 石 英玻璃 管 下 ; 配气 仪为 C P 0 ,示 值误 差± %,配 气 时采 用 空气 R 01 2 作为 零气 ,测试 气 体 N 作为 标 气 。将 WO 薄膜 气 O2 3 敏元件 ( 6mmx 6mm)置 于测试 室 中 ,通入 干燥 空 气并加 热 到一 定工 作温度 后 , 通入 体积 分 数 为 00 % .5 的 NO 气 体 ( 2 流量 为 10m / n ,待 电阻稳 定 一定 0 L mi )
Efe to n a i e pe a ur n t uc u ea a -e i f c fa ne lng t m r t eo sr t r nd g ss nsng
p o e te f O3 h n f m s r p r i so W i l t i
等 因素 有关 ,在 0 1 7 的温 区 内 WO3 少有 5 ~ 1 0 K 至 次结 构相 变 I ̄ 】 1 " 。在 N2 氛 中 进行 退 火 处理 ,N2 o 气 气 氛会 影 响氧缺 乏 的状态 。
采用 Noa 0 n E 场 发射 扫描 电镜 分析退 火前 v 0 4 NaoS M 后薄膜 的表面形 貌 。以上 实验均 在室温 下完 成 。
Absr t W 03t i l sw e ed po ie n ogls u tatsb C a ner pu trng tc no o y ndt e t t ac : h n f m r e st d o t a ss bsr e yD m g ton s te i e h l g a h n i i was
a n ae t 5 n e ld a 0℃ a d 5 0℃ a e W O3 c y tl. h n e ln mp r t r n r a e , h r s l t n et i l 4 n 5 r r s s Ast e a n ai g t a e e au e i c e s s t e c y t l e a d t h n f m ai h i ti k e s i c e s i l n o s . e t ik e s o i l n e ld a 5 h c n s n r a e smu t e u l Th h c n s f t n f ms a n a e t 5 0℃ i h c e h n t a ft e t i l a y h i s ti k r t a h to h h n f ms i a n ae t 5 n e ld a 0℃ b 0 a a d te c s l t s i g rb m. e s n i v t f h n f msa n ae t 5 4 y 3 m n r t l e i b g e y 8 n Th e st i o i l n e ld a 0℃ a d 5 0 h y ai i y t i 4 n 5
晶 系的 wi 4; 5 0℃退 火 后薄膜 是 w l 4 与斜 7 7而 5 o 7 7 O 方 晶系 的 WO -5 存 , 明显 的衍射 峰 属于 WO 5 22共 6 其 22 6