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半导体气体传感器材料的吸附问题

嘉峪检测网        2023-04-10 17:42

气体传感器材料的吸附问题,当然首先就得了解什么是气体传感器。
来看一下度娘的解释:气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。而气体传感器材料就是将目标气体“捕获”(实际上就是在材料表面发生氧化还原反应),将化学信号转变为电信号,再经过一定装置的处理,让人们意识到该气体的存在。故而气体传感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等气体探测领域有着广泛的应用。
今天就简单谈谈半导体气体传感器材料的吸附问题。吸附,是一种很常见的表面效应,即固体吸附气体后,气体只停留在固体表面,并不进入到固体内部(进去了被“吸收”了)。根据吸附剂与吸附质作用本质的不同,我们往往把吸附分为物理吸附和化学吸附——
物理吸附,即吸附剂与吸附质分子间以范德华力相互作用,它是普遍存在于所有分子之间的,所以物理吸附是无选择性的。由于其吸附力弱,物理吸附也容易脱附,吸附速率快,易于达到吸附平衡。
化学吸附,即吸附剂与吸附质分子间发生化学反应,以化学键相结合,其键力很强,而且该过程的发生伴随着键的断裂与形成,这是比较困难的,故化学吸附平衡较难建立,且一般不可逆。又化学吸附需要吸附剂和吸附质之间形成化学反应,故化学吸附选择性很强。
半导体气体传感器材料往往就是因其对某一目标气体可以发生化学吸附的性质,而受到关注。其工作机理如下图所示:(以n型半导体材料为例)
 

当敏感材料暴露于空气中时,空气中的氧气会吸附于表面形成吸附氧并作为表面受主能级捕获敏感材料导带中的电子,使材料电阻下降。当温度较低时,吸附氧类型主要为O2‑;当温度较高时,吸附氧类型为O‑(如上图所示)。当接触到还原性气体时,还原性气体与吸附氧气反应并作为施主给出电子,使得敏感材料导带中电子浓度重新增加,表面电阻下降从而产生比较强的响应信号。
与之对应,物理吸附也会因为材料表面的气氛发生变化而导致其表面电势的变化,使其也有微小的响应,但与化学吸附相比,可忽略不计。
与吸附常随的是脱附。说到脱附,其时间长短的决定因素,与具体的敏感材料及目标气体有关,毕竟结构决定性质。
 
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