TiO2 半导体薄膜对还原性气体和有机气体的传感性质研究

本项目针对基于低能耗与微型化TiO2薄膜传感器材料的性质、机理与制备开展研究工作。运用分子力学和分子动力学方法研究还原和有机气体分子在材料表面空位吸附与脱附及气体分子的动力学行为，在此基础上运用基于密度泛函的第一性原理，在原子层次理论研究和计算薄膜材料与气体分子相互作用的量子力学行为，包括电子性质，能带结构，键能键长变化以及电荷布居分析等，从而实现改性TiO2薄膜传感材料性能。本项目研究重点在于找到降低薄膜表面与传感气体反应功函数的理论原因和实现办法，有针对性的运用先进制备手段和掺杂技术来制备高性能TiO2气敏传感薄膜，增加薄膜有效反应的比表面积，从而提高传感材料灵敏度，缩短响应时间，降低工作温度，实现对单一气体灵敏探测传感器材料研制，解决TiO2薄膜气体传感器不能对单一气体灵敏探测，工作温度高的主要应用困难。为低能耗，小体积TiO2器件实现极端条件下对单一气体灵敏探测提供有力的应用基础。

本项目主要研究TiO2块体材料和薄膜表面的电子行为以及气体分子在薄膜表面的分子动力学行为, 利用绝热近似将多电子原子和分子体系的原子核和电子运动分开考虑，采用Hartree-Fock自洽场近似法、密度泛函理论和分子轨道理论的半经验方法，针对TiO2薄膜表面对还原和有机气体的吸附能，吸附性质、吸附位置，吸附稳定性、电子迁移性质、能带结构、电子态密度、原子轨道杂化、晶型畸变、键能键长变化等问题深入分析，对影响传感性质的原因给出理论预言。在理论研究成果的指引下，有针对性的进行材料制备研究，并尽可能的运用先进制备技术来增加材料的比表面积，从而设计出针对还原性气体和有机气体灵敏传感的优质TiO2气敏传感薄膜，并对其传感机理进行总结，归纳还原和有机气体分压与薄膜表面电导率的关系。.本项目圆满完成申报书的计划和要求，即研究了计划书和申请书中研究内容方面的5个主要内容。在三年的研究时间中，按照计划书的内容分步骤分阶段的进行研究，总计发表论文15篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文7篇，CSCD收录论文2篇，培养研究生5名。申报书中所提及的各个重点研究内容均有相应的论文发表。执行情况顺利，圆满完成申报书中提及的任务要求和考核要求。