基于竖直硅纳米线有序结阵列的气体传感研究

摘要

随着互联网技术和人工智能的高速发展，即将迎来物联网时代。物联网的最终目标是实现万物互联，使所在的环境完全智能化。物联网所传递的信息将来自无处不在的智能终端，智能终端收集环境数据的核心器件是传感器。由于应用场景的范围愈加广泛，以及电子器件小型化的趋势，合适传感材料和结构的制备显得尤为关键。气体传感器是其中一类重要的传感器，在诸如公共安全、工业控制、环境保护、个人健康等方面有重要的应用。大量新型的纳米材料和纳米结构已经被应用于气体传感器件中，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管以及各类二维纳米材料。硅纳米线因具有高比表面积、良好兼容性、低功耗等优点，被认为是很有应用前景的一类纳米材料。硅纳米线的制备方法包括化学气相沉积、激光烧蚀、反应离子刻蚀、溶液法、金属辅助化学刻蚀等，这些方法中金属辅助化学刻蚀（MACE）因其廉价简便、直接形成阵列、尺寸可调等优势受到广泛关注。本文采用MACE方法制备硅纳米线阵列，并以其建立了可靠的气体传感平台实现了高灵敏度的气体检测和气体识别。本论文的主要内容如下： 第一章介绍了近年来基于纳米材料的电学气体传感研究，包括化学电阻式、场效应管、场致离子化、化学电容器和外差振荡等气体传感器，并分析了各种原理传感器的优缺点。接着介绍硅纳米线的制备方法，着重讨论了MACE方法及模板法的应用。 第二章采用MACE刻蚀方法制备了竖直的硅纳米线阵列，采用尖端相互接触并通过焦耳热熔接方法解决纳米线阵列可靠有效的接入电路这一纳米线阵列应用存在的挑战。基于尖端接触竖直硅纳米线阵列的构建可有效扩展纳米线阵列的空间和纳米线利用效率，有利于气体在两层纳米线阵列中扩散，提高了气体性能。实验结果表明常温下工作的NO2气体传感器，灵敏度达到~10ppb量级，并具有较好的可重复性和响应速度。同时这一平台可以用于构建高度有序的纳米p-n结阵列，用于解释p-n结在不同外加电压方向时的气体传感机理，为纳米p-n结对气体传感性能的增强提供了证据支持。本项工作对有序纳米p-n结构的构建提供了一种简单易行的新策略。 第三章采用水热合成方法在p型硅纳米线阵列的顶部位置生长了ZnO纳米棒，构建了有序的纳米p-n结阵列，实现了对SO2（LOD~50ppm），NO2（LOD~0.5ppm），CO（LOD~20ppm），NH3（LOD~10ppm）的常温响应。由于有序p-n结构的在正反向电压下具有不同响应特性，可以实现对不同气体识别。通过控制ZnO种子溶液的滴涂量，可以控制传感材料在正向电压下响应行为形成p型或n型气体响应模式。而在反向电压下电子跨越p-n界面的电阻成为控制因素，此时气体响应行为仅受到气体自身性质的影响，不同给电子（吸电子）能力决定了能否产生响应。因此这一传感结构同时简便地实现气体氧化还原性质及与材料接触后气体的电子转移能力的检测，从而实现对不同气体的识别。 第四章在ZnO/SiNWs阵列结构上涂敷一层还原氧化石墨烯（rGO），形成rGO/ZnO/SiNWs结构，该结构具有良好的电子发射能力，同时可重复性也较好，场致发射的增强因子可以达到12000，是一种具有竞争力的场致电子发射材料。在低真空度下，能够对有机气体实现检测，并具有良好的恢复性，同时能够对电子捕获气体进行简单鉴别。 第五章对上述工作进行总结并提出改进建议，同时对所构建的竖直硅纳米线阵列气体传感平台的应用前景进行展望。

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摘 要

Abstract

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 气体传感器简介

1.3 纳米气体传感器简介

1.4 基于一维纳米材料的电学气体传感器

1.4.1 化学电阻式气体传感器

1.4.2 场效应管式气体传感器

1.4.3 电容及外差振荡式气体传感器

1.4.4 场致离子化气体传感器

1.5 硅纳米线阵列的制备

1.5.1 金属催化剂

1.5.2 氧化剂

1.5.3 硅片本身性质

1.5.4 温度与光照

1.6 本课题研究的主要内容

第二章 尖端接触型硅纳米线阵列的气体传感研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料和仪器

2.2.2 硅纳米线阵列的制备

2.2.3 尖端接触硅纳米线阵列结构的形成

2.2.4 材料表征和气体响应测试系统

2.2.5 气体响应数据处理

2.3 结果与讨论

2.3.1 硅纳米线阵列刻蚀条件的选择

2.3.2 尖端接触型硅纳米线阵列结构的材料及电学表征

2.3.3 同型尖端接触结构的NO2气体传感性能

2.3.4 尖端接触型 p-n结结构的NO2气体响应

2.3.5 尖端接触型结构的气体传感机理

2.4 本章小结

第三章 基于n-ZnO/p-Si纳米线阵列的气体传感研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料与仪器

3.2.2 n-ZnO/p-Si纳米线阵列结构的制备

3.2.3 材料表征和气体测试系统

3.2.4 气体响应数据处理

3.3 结果与讨论

3.3.1 n-ZnO/p-Si纳米线阵列结构的制备与表征

3.3.2 n-ZnO/p-Si纳米线阵列结构的气体传感性能

3.3.3 硅纳米线阵列-ITO结构的对照气体传感实验

3.3.4 n-ZnO/p-Si纳米线阵列结构气体识别和响应机理

3.4 本章小结

第四章 rGO/n-ZnO/p-Si纳米线阵列的离子化气体传感

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料与仪器

4.2.2 rGO/n-ZnO/p-Si纳米线阵列的制备

4.2.3 材料表征和气体测试系统

4.2.4 气体响应数据处理

4.3 结果与讨论

4.3.1 纳米线阵列离子化电极材料的制备与表征

4.3.2 硅纳米线阵列的离子化性能

4.3.3 n-ZnO/p-Si纳米线阵列的气体电离及传感性能

4.3.4 rGO/n-ZnO/p-Si纳米线阵列的场发射性能

4.3.5 rGO/n-ZnO/p-Si纳米线阵列的场发射气体传感

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果