微纳材料在红外探测器及应变传感器中的应用

摘要

近年来红外探测器、传感器在生产、生活中的作用越来越大，提高探测器、传感器的性能一直是人们努力的目标。本文中，我们以微纳材料为基础，构筑了红外探测器及应变传感器，并对其性能进行了研究。本文取得的主要研究结果如下:
　　(1)以PbTe单晶纳米线作为红外光敏元，构建了金属-半导体-金属(MSM)接触式红外探测器原型器件，并测试了其红外光电转换性能，探讨了光功率密度、偏压、温度等因素对该探测器的影响。研究结果表明，MSM结构的PbTe纳米线的探测器具有小的暗电流，响应时间在毫秒量级，比颗粒组成的同类型薄膜探测器快很多。我们认为，探测器中相对的肖特基结在降低暗电流方面起重要作用。
　　(2)以不同形貌的PbTe为红外光敏感元，制备了欧姆接触式的红外探测器，比较了这几种红外探测器的性能参数。实验发现，在多种形貌中，树枝分支结构的PbTe具有最大的响应度0.46AW-1和探测率3.5×109cm·Hz1/2·W-1，分别比欧姆接触的PbTe纳米线提高了两个和一个量级。我们认为，分支结构的分支部分有效地增大了光敏元的面积，进而提高了红外探测器的探测率。
　　(3)构建了一种新型的电容式红外探测器原型器件，并对其工作机理进行了解释。探索了Bi纳米线在红外探测器中的应用前景。我们认为，Bi纳米线的带隙可以通过改变纳米线的直径来改变，因此，基于Bi纳米线构筑的红外探测器可以实现不同波段的红外光的探测。
　　(4)制备了柔性聚苯胺/聚二甲基硅氧烷(PANI/PDMS)复合薄膜应变传感器。该传感器具有高达50％的拉伸应变量，在此应变量的条件下，传感器的灵敏度高达54，高于其它材料构筑的传感器。该传感器在施加1V电压的条件下，电流在mA量级，意味着该传感器不需要昂贵的测试设备测量。我们认为，PANI/PDMS复合膜传感器的工作机理基于两部分，一是传感器复合膜在拉伸过程中自身的形变，二是裂纹的影响。该柔性传感器在探测应变及人体运动检测方面都有潜存的应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 传感器概述

1．2 红外探测器概述

1．2．1 红外探测器的定义

1．2．2 红外探测器的发展历程

1．2．3 红外探测器的应用及发展趋势

1．2．4 红外探测器的性能指根

1．3 光子型红外探测器的分类

1．3．1 光导型红外探测器

1．3．2 光伏型红外探测器

1．3．3 光磁电红外探测器

1．3．4 光发射红外探测器

1．4 光子型红外探测器的材料结构分类

1．4．1 块材、薄膜红外探测器

1．4．2 量子阱红外探测器

1．4．3 量子点红外探测器

1．4．4 纳米线红外探测器

1．5 PbTe红外探测器研究进展

1．5．1 PbTe材料简介

1．5．2 PbTe红外探测器研究概况

1．5．3 PbTe材料的制备方法

1．6 新型红外探测材料Bi纳米线

1．6．1 Bi材料简介

1．6．2 Bi纳米线半金属-半导体转变行为

1．6．3 Bi纳米线的制备方法

1．7 柔性拉力传感器概述

1．7．1 电阻式拉力传感器

1．7．2 电容式拉力传感器

1．7．3 聚苯胺的基本性质

1．7．4 聚苯胺的制备方法

1．7．5 PDMS的基本性质

1．8 本论文的选题意义及内容

第2章 MSM接触式PbTe红外探测器的制备与光电特性

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 氧化铝模板的制备工艺

2．2．3 PbTe纳米线的制备

2．2．4 MSM接触式PbTe纳米线红外探测器件的制备

2．2．5 样品的表征

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 PbTe纳米线的表征

2．3．2 PbTe纳米线及其器件的表征

2．3．3 PbTe纳米线MSM接触式红外探测器光电特性测试

2．4 本章小结

第3章 欧姆接触式PbTe红外探测器的制备与光电特性

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 PbTe分支结构的制备

3．2．3 欧姆接触式PbTe纳米线器件的制备

3．2．4 欧姆接触式PbTe分支结构器件的制备

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 PbTe分支结构的表征

3．3．2 PbTe纳米线欧姆接触式红外探测器的光电响应测试

3．3．3 PbTe树枝状分支结构的红外光电性能测试

3．3．4 PbTe其他分支结构的红外光电性能测试

3．4 本章小结

第4章 电容式红外探测器的制备与光电特性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 PbTe纳米线电容式红外探测器件的制备

4．2．3 样品的分析与表征

4．3 PbTe电容式红外探测器的光电响应特性

4．4 Bi电容式红外探测器的光电响应特性

4．4．1 Bi纳米线的制备

4．4．2 Bi纳米线的表征

4．4．3 Bi纳米线有效带隙的理论分析

4．4．4 Bi纳米线探测器的光电响应特性

4．5 本章小结

第5章 基于PANI／PDMS柔性应变传感器的制备与性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 PANI／PDMS柔性传感器的制备

5．2．3 样品的分析与表征

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 PANI／PDMS薄膜传感器的形貌表征

5．3．2 PANI／PDMS薄膜传感器的电学性能

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 今后工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的论文与取得的其他研究成果