多孔性硅纳米线及其气体传感特性

摘要

工业化的快速发展伴生的大量有毒有害气体，使人类赖以生存的自然环境遭到严重破坏，发展高性能的气体传感器具有迫切的现实意义。具有一维特征的硅纳米线是一种极具潜力的室温气敏材料，在高性能低功耗集成式气敏传感器中具有非常好的应用前景。
　　本论文分别采用一步和两步金属辅助化学刻蚀法在氢氟酸，硝酸银，过氧化氢溶液中刻蚀重掺杂与轻掺杂的单晶硅基片制备了具有多孔结构特征的一维硅纳米线阵列，利用场发射扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)以及能谱分析仪（EDS）等表征了多孔性硅纳米线的微观形貌特征，研究了两种刻蚀工艺中各种工艺参数，特别是刻蚀时间、过氧化氢浓度和硝酸银浓度对多孔性硅纳米线形貌结构的影响。进一步利用气体测试平台评价了多孔性硅纳米线样品的气敏性能。
　　研究发现，多孔性硅纳米线孔密度与长度随过氧化氢浓度以及刻蚀时间的增加而增加。随硝酸银浓度的增加纳米线长度先增加后减小。制备的多孔性纳米线由于其一维特征特别是表面的多孔结构而具有大的活性表面积，高活性表面和有序的阵列结构利于气体分子在敏感层中的大量吸附和快速扩散。气敏性能评价分析表明，一步刻蚀和两步刻蚀制备的多孔性硅纳米线均具有良好的气敏性能，在室温下可以实现ppb级二氧化氮气体的有效监测。一步刻蚀法制备的多孔性硅纳米线对0.05-4ppm二氧化氮气体具有良好的响应恢复特性，但响应灵敏度较低且在高浓度二氧化氮气体中易出现饱和现象；利用两步刻蚀法通过对过氧化氢浓度和硝酸银浓度的合理控制而制备的多孔性硅纳米线在室温下对二氧化氮表现出了高灵敏度和快速的响应恢复特性，该多孔性硅纳米线基传感器元件对1.5 ppm二氧化氮气体的室温响应时间为2s，恢复时间为145s，灵敏度为124。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 硅纳米线

1.2 多孔性硅纳米线

1.3 本课题研究内容及意义

第2章 实验原理

2.1 多孔性硅纳米线制备

2.2气敏传感器的概述

第3章 实验部分

3.1 实验准备

3.2 一步刻蚀法制备硅纳米线与多孔性硅纳米线

3.3 两步刻蚀法制备多孔性硅纳米线

3.4 多孔性硅纳米线微观结构表征

3.5 多孔性硅纳米线气体传感器制备与性能评价

第4章 多孔性硅纳米线微观结构表征

4.1 一步刻蚀法多孔性硅纳米线微观结构分析

4.2一步刻蚀法制备多孔性硅纳米线形成机理

4.3两步刻蚀法制备多孔性硅纳米线微观结构分析

4.4 两步刻蚀法制备多孔性硅纳米线形成机理

4.5 本章小结

第5章 多孔性硅纳米线气敏性能研究

5.1 一步刻蚀法制备多孔性硅纳米线的气敏性能

5.2 两步刻蚀法制备多孔性硅纳米线的气敏性能

5.3 多孔性硅纳米线的气敏机理

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢