au@sno2核壳纳米颗粒薄膜的制备及其气敏性能的分析word格式论文.docxVIP

1绪论SnO2薄膜的性质SnO2的结构性质SnO2在常温标准大气压下为白色晶体，密度为6.95g/cm3，熔点为1927℃，难溶于水。常见的SnO2单晶为金红石结构，属于四方晶系，D4h空间群[1]，其结构如图1-1所示。金红石结构SnO2的晶格常数为a=0.4734nm，c=0.3186nm（Tetragonal，PDF#41-1445），密排面为(110)，其密排面的晶面间距为0.335nm；在每个晶胞中有2 个Sn4+离子，4个O2-离子，正负离子的半径比为0.5，其配位数分别为6和3。Sn 原子位于氧八面体的中心位置，氧原子位于锡四面体中心的位置；在每个晶胞内Sn 原子的位置为(0,0,0)和(1/2,1/2,1/2)，O原子的位置为±(u,u,0)和±(+u/2,-u/2,1/2)，其中u=0.307[2]。图1-1 SnO2晶格结构和晶格常数Fig.1-1ThestructureandlatticeparameterofSnO2crystalSnO2除了有金红石结构外，还有正交结构（Orthorhombic，PDF#29-1484）其晶格常数为a=4.7140nm，b=5.7270nm，c=5.2140nm，密排面为（110）；立方结构（Cubic，PDF#50-1429）其晶格常数为a=b=c=4.8700nm，密排面为（111）。在一般情况下，多晶的SnO2 薄膜中的大多数晶粒是四方金红石结构，其形貌疏松多孔，密度大约是体材料密度的85%左右。在制备的过程中，SnO2 薄膜晶粒生长方向与衬底材料、晶体结构、表面状态和衬底温度等密切相关。由于金红石结构相当稳定，SnO2具有极强的耐化学腐蚀性[3]。SnO2的光学性质SnO2是一种宽禁带半导体氧化物，在室温下的带隙Eg为3.6eV[4]。SnO2薄膜在电磁波可见光区域的平均透过率可达90%以上，其高的光透射率特点在光学方面与广泛的应用，最主要是在太阳能电池的电极材料、平面显示器、透明电子器件和发光二级管以及抗静电层材料、透明电层屏蔽、面加热和热反射镜材料等。另外，氧化锡虽然在可见光内范围有很高的透射率，但是对于中红外和远红外区的光线却有很强的反射率，这个特性使得二氧化锡材料在能量存储，建筑材料等方面有很重要的作用[5]。SnO2的直接光学带隙是3.6-4.3eV[4]，对于具有高载流子浓度的SnO2薄膜尤其是掺杂的SnO2 薄膜，其光学带隙随载流子浓度增加而变大，这归应于在高载流子浓度的SnO2薄膜中存在Burstein-Moss移动[6]。图1-2Burstein-Moss 移动示意图Fig.1-2TheschematicdiagramofBurstein-MossshiftBurstein-Moss移动是指在高载流子浓度的半导体内，导带的的底部已经被载流子填满，此时价带中的电子需要获得大于禁带宽度Eg1的激发能量Eg2才能被激发至导带，造成薄膜的光学带隙展宽。其示意图如图1-2。1.1.2SnO2的电学性质图1-3 SnO2近表面处的能带结构示意图Fig.1-3TheschematicofbandstructurenearthesurfaceofSnO2纯净的理想化学配比的二氧化锡绝缘的。但是由于Sn离子具有+2价和+4价两种价态，所以在制备的过程中，SnO2材料往往偏离理想的化学配比，在晶格中会形成锡间隙离子和氧空位。在SnO2 晶体中氧空位带2 个正电荷，可形成一个浅施主能级和一个深施主能级，浅施主能级在导带以下约0.03eV处，深施主能级在导带以下约0.15eV处[7]，向导带提供1015-1018/cm3浓度的电子如图1-3所示。SnO2在常温下的激子束缚能为130meV，这使得氧化锡中的激子在室温状态下比较稳定，价带电子激发到导带几率是极小的。SnO2半导体导电并不是依靠本征激发，而是依靠施主能级电子或受主能级空穴激发。对于纯SnO2 半导体，附加能级的形成其化学计量比有关；而对于含杂质的SnO2 半导体，附加能级的形成还与它的杂质和缺陷有关。在实际中晶体氧化物材料中存在很多缺陷，包括点缺陷、界面态和表面态等。在SnO2 薄膜中存在的点缺陷主要是氧空位、锡间隙原子、氧间隙原子、锡空位等等。氧空位、锡间隙原子和氧间隙原子、锡空位可分别形成施主和受主能级，对于晶体中的缺陷而言，其形成的几率主要取决于相应缺陷的形成能量[8]。另一方面在制备SnO2半导体时，由于条件的变化，造成材料中的Sn/O偏离化学计量比，制备出的二氧化锡组成为SnO2-x(x1)。由于这种偏离，材料中也产生了相当数量的氧空位。氧空位是施主型的点缺陷容易释放出自由电子，所发生的反应如下：O20x→0.5O(g)0+V?+e1-1???V0 →V0 +e1-2从公式（1-1）和（1-2）