SnO2半导体纳米晶气敏特性尺寸效应与增强机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11704055
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2003.凝聚态物质输运性质
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

It is an urgent problem to monitor low concentration toxic gas pollutants in real time precisely. The metal oxide semiconductive nano-grain, such as SnO2, has a small size but large ratio surface area. It has performed the characteristics of high response, low operating temperature and low detection limit in the investigation of gas sensors. However, the mechanism of semiconductor gas sensors is not clear, leaving an important topic in the design and optimization of gas sensors. In the present project, tin oxide nano-grains are selected to be the samples, which are controlled during the preparation process in order to adjust the size, composition and morphology of the grains. The grain size effect and its critical point on gas sensing properties are investigated. The mechanism of the size effect is discussed in the aspect of electron levels, bonds and surface states by using the electrical and optoelectronic in situ characterization. The defect behaviors of formation, distribution and migration are studied by microscopic analysis to conclude controlling techniques. The synergetic and competing mechanisms of acceptors on grain surface are discussed under the volume depletion circumstance. A mathematical model is established for the gas sensing mechanism of semiconductor nano-grains on the basis of the grain size effects. The gas sensing mechanism is interpreted in the aspects of acceptor adsorption, depletion layer and carrier migration, in order to provide guidance for the design, fabrication and optimization of novel gas sensors with excellent performances.
低浓度毒害气体污染物的实时精确监测是当今社会亟待解决的问题。SnO2等金属氧化物半导体纳米晶尺寸小、比表面积高,在气体传感器研究中,已展现出灵敏度高、工作温度低、检测下限低等特点,然而半导体气体传感器的敏感机理仍不明晰,是实现传感器优化设计的关键科学问题。本项目拟采用SnO2纳米晶为研究对象,通过生长条件的控制调节纳米晶的尺寸、组分、形貌和晶面结构等特征,重点研究气敏特性的尺寸效应并探寻尺寸临界点,利用电学、光电原位表征手段,从电子能级、化学键以及表面态等方面讨论尺寸效应的内在机制,采用微观尺度测量方法对晶粒缺陷的产生、分布、迁移等行为模式和调控手段进行研究,尝试探讨尺寸效应下各表面受主种类之间的协同与竞争机制,建立以尺寸效应为基础的半导体纳米晶气敏机理的数学模型,从受主吸附、耗尽区建立和载流子迁移角度定量阐述气敏机理,最终实现指导高性能新型气体传感器件设计、制备和优化的目标。

结项摘要

SnO2等金属氧化物半导体纳米晶由于优异的物化特性和显著的尺寸效应,是研发高性能室温气体传感器的前沿材料,然而它们的气敏机理仍不明晰,是实现传感器优化设计的关键科学问题。本项目实现了SnO2半导体纳米晶(量子点)在水溶液中的尺寸可控合成,系统讨论了从部分耗尽到体耗尽晶粒气敏特性的尺寸效应,建立数学模型探讨半导体纳米薄膜气体传感器的性能增强机制,并完成了SnO2量子点功能材料的应用拓展,取得了一些创新性成果:(1)实现SnO2量子点的水基制备以及尺寸可控生长,制作量子点薄膜气体传感器原型;气敏特性测试表明,当晶粒半径等于耗尽层宽度时,纳米晶对气体的响应达到最高,此晶粒半径即为尺寸效应的临界点,据此从部分耗尽到体耗尽全面阐述纳米半导体气敏特性的尺寸效应。(2)第一性原理计算表明,体耗尽晶粒中的氧空位的形成和表面的氧吸附都具有尺寸效应,表面桥位氧产生概率最高;吸附氧的类型可随晶粒尺寸发生转换,德拜长度的物理内涵为表面吸附氧受主借助晶粒内部原子所束缚电子的最大范围,并建立了基于第一性原理计算的德拜长度测量方法。(3)以尺寸效应为基础,建立涵盖受体功能、转换功能和效用因子的数学模型,以定量方式表述传感器气敏特性与器件参数之间的关系,全面阐述半导体纳米薄膜材料的气敏机理,为气体传感器的设计与优化提供理论依据。(4)完成SnO2量子点功能材料的应用拓展,针对量子点的强量子限域效应带来的宽禁带,利用氧空位在晶粒内部的深能级构建Z型电子跃迁传导通道,实现了在紫外-可见光下油类污染物的高效降解和溢油污染水体的修复。本项目的研究成果以定量方式阐述了尺寸效应的本源和气敏材料关键参数的物理内涵,进一步深化了对SnO2半导体纳米晶的气敏机理认知,并实现了其功能化应用的拓展,完成了项目预定研究目标。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Influence of oxygen vacancy behaviors in cooling process on semiconductor gas sensors: a numerical analysis
冷却过程中氧空位行为对半导体气体传感器的影响:数值分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Sensors
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Liu Jianqiao;Wan Qiuwang;Zhai Zhaoxia;Jin Guohua;Chen Yuzhen;Hong Wusong;Wu Liting;Gao Fengjiao
  • 通讯作者:
    Gao Fengjiao
Properties of yttrium-doped barium titanate ceramics with positive temperature coefficient of resistivity and a novel method to evaluate the depletion layer width
正电阻率温度系数掺钇钛酸钡陶瓷的性能及耗尽层宽度评估新方法
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2018.12.086
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Liu Jianqiao;Jin Guohua;Chen Yuzhen;Xue Weiting
  • 通讯作者:
    Xue Weiting
Enhanced Vis-NIR light absorption and thickness effect of Mo-modified SnO2 thin films: A first principle calculation study
Mo 改性 SnO2 薄膜的增强可见光-近红外光吸收和厚度效应:第一原理计算研究
  • DOI:
    10.1016/j.rinp.2021.103997
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Results in Physics
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Liu Jianqiao;Zhang Haipeng;Li Yilin;Shen Haoran;Ding Yang;Su Ningning;Shao Liang;Jin Guohua;Zhai Zhaoxia;Fu Ce;Zhang Qianru
  • 通讯作者:
    Zhang Qianru
Fluorescence Characteristics of Aqueous Synthesized Tin Oxide Quantum Dots for the Detection of Heavy Metal Ions in Contaminated Water
水相合成氧化锡量子点检测污染水中重金属离子的荧光特性
  • DOI:
    10.3390/nano9091294
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Nanomaterials
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Liu Jianqiao;Zhang Qianru;Xue Weiting;Zhang Haipeng;Bai Yu;Wu Liting;Zhai Zhaoxia;Jin Guohua
  • 通讯作者:
    Jin Guohua
Size effects on structural and optical properties of tin oxide quantum dots with enhanced quantum confinement
尺寸对增强量子限制氧化锡量子点结构和光学性质的影响
  • DOI:
    10.1016/j.jmrt.2020.05.041
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Materials Research and Technology
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Liu Jianqiao;Nie Yichen;Xue Weiting;Wu Liting;Jin Hao;Jin Guohua;Zhai Zhaoxia;Fu Ce
  • 通讯作者:
    Fu Ce

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其他文献

钒掺杂二氧化钛薄膜制备与材料特性分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    功能材料
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘欢;龚树萍;刘剑桥;万久晓;周东祥
  • 通讯作者:
    周东祥
黄芩清热除痹胶囊HPLC指纹图谱初步研究及3个成分含量测定
  • DOI:
    10.3969/j.issn.1673-713x.2022.01.012
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    中国医药生物技术
  • 影响因子:
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  • 作者:
    刘剑桥;刘晓闯;刘健;张艳艳;王团结;周安
  • 通讯作者:
    周安
基于离散余弦变换低频分量特征及学习向量量化的煤岩识别方法
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  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    工矿自动化
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙继平;刘剑桥
  • 通讯作者:
    刘剑桥

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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