探究表面掺杂三氧化钨气敏性能

气敏传感器一种是能够感知环境中某种气体及其浓度的敏感器件，它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。气敏传感器具有稳定区分气体的能力、较强的气体敏感度、迅速检测信号的响应、使用寿命长等特点。三氧化钨材料对NOx、NH3、H2S、H2等气体表现出良好的敏感特性而得到广泛的研究。

实验步骤：
1. 首先，探索了钛（Ti）掺杂WO₃面的电子特性，建立Ti掺杂模型，分别考虑了Ti替代W₆C和W₅C两种情况。
2. 其次，分别研究了Ti-WO₃表面NO₂、NH₃和H₂的敏感机理。在Ti-WO₃表面建立气体吸附模型时，考虑了4个顶吸附位点：桥位氧O1C、平位氧 O₂C，Ti和6配位钨W6C。NO₂和NH₃与Ti-WO₃表面的最佳吸附模型均为N原子和表面桥位氧O1C相键合，而H2吸附的最佳模型有两种，H原 子与平位氧O₂C位键合模型和与6配位钨W₆C键合模型。

结论：
1. 对各最佳吸附模型气体吸附前后的表面结构、态密度、电子布居等计算和分析可知，能带结构、费米能级的变化，吸附过程的电子转移是引起气体吸附后电阻值变化的主要原因，从而揭示了Ti-WO₃材料的气体敏感机理。
2. 分别对比NO₂、NH₃和H₂与未掺杂WO₃和Ti-WO₃的气体敏感机理，发现Ti掺杂引起禁带宽度和费米能级的改变使得掺杂模型在吸附过程中转移的电子数目比未掺杂模型的要多，吸附前后Ti-WO₃材料的电阻变化幅度变大，有利于提高WO₃基气敏传感器的性能。
3. 计算结果表面Ti掺杂W₅c具有最低表面能并能形成稳定的掺杂结构，分析能带结构、态密度可得，Ti掺杂引起的带隙变化和新的电子能带导致了WO₃表面性能发生了改变。

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