中等孔径有序多孔硅基氧化钨薄膜室温气敏传感器研究

摘要

随着近年来工业技术的快速发展,生产过程中排放的气体污染物含量正在不断上升。大气中存在的NO2、NH3等强毒性气体在污染环境的同时也对人类的健康以及环境安全构成严重威胁,因而实现能够室温工作的低功耗高性能气敏传感器已越来越受到人们的广泛关注,成为近年来的研究热点。迄今为止,多孔硅和氧化钨均被认为是最具发展应用前景的半导体气敏材料。基于上述背景,本文提出构建新型多孔硅基氧化钨薄膜复合结构气敏传感器,并为此进行了相关的实验及理论研究。
　　本文进行的主要研究工作有:1.中等孔径有序多孔硅(中孔硅,孔径50～200nm)的制备工艺研究,包括腐蚀电流密度和腐蚀时间等关键工艺参数对中孔硅微观形貌结构的影响;2.中孔硅气敏特性的研究;3.中孔硅基氧化钨薄膜复合气敏材料的制备工艺及敏感特性研究。
　　实验采用双槽电化学腐蚀法在n型单晶硅片的抛光表面制备中孔硅层。研究结果表明:腐蚀电流密度较小时,形成的孔径也较小,孔道分布呈现明显分支性。随着电流密度的增大,中孔硅的孔径也随之增大,分支孔生长趋势减弱,孔道有序化程度增加,孔隙率提高,层厚度加深。当腐蚀电流接近临界抛光电流密度时,可形成孔道高度有序性的中孔硅理想结构。当进一步升高腐蚀电流密度将导致中孔硅结构塌陷甚至发生电抛光现象。此外实验还发现腐蚀时间的延长可促进中孔硅孔径、孔隙率和层厚度的增大,但过长的腐蚀时间将引起中孔硅表面的裂解。当前最优化制备条件下获得的中孔硅可在室温下对NO2和NH3展现出良好的气敏性能,包括较高的灵敏度,很好的可逆性,良好的重复性,快速的响应/恢复特性等。
　　随后以最优化结构的中孔硅为基底,采用对向靶直流磁控溅射法在其表面沉积纳米氧化钨薄膜,制备纳米复合结构气敏传感器。详细分析了溅射时间对中孔硅基氧化钨薄膜微观形貌及其气敏特性的影响。实验发现最优化条件制备的氧化钨薄膜提高了中孔硅对NO2的选择性,其现象可以归因于该敏感材料拥有很大的比表面积和表面存有大量的气孔,提供了足够的气体吸附的活性位置和有效扩散的通道。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 气敏传感器概述

1.3 多孔硅气敏传感器

1.4 多孔硅基氧化钨气敏传感器

1.5 本文研究目标及研究内容

第二章 理论知识与实验过程

2.1 多孔硅的制备方法和气敏机理

2.2 氧化钨薄膜的制备方法和气敏机理

2.3 微观结构和理化特性分析测试手段

2.4气敏传感器主要性能参数的分析测试

第三章 中孔硅气敏传感器元件制备及敏感性能研究

3.1中孔硅气敏传感器元件的制备流程

3.2中孔硅微观形貌结构及理化特性表征

3.3 中孔硅气敏传感器元件敏感性能研究

3.4 本章小结

第四章 中孔硅基氧化钨薄膜气敏传感器元件敏感性能研究

4.1 中孔硅基氧化钨薄膜气敏传感器元件的制备流程

4.2 氧化钨薄膜表面形貌、晶体结构、物相组成和化学状态分析

4.3 中孔硅基氧化钨薄膜气敏传感器元件对 NO2气体的敏感性能研究

4.4 中孔硅基氧化钨薄膜气敏机理分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结与讨论

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢