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硅纳米线的制备及其在氨气传感器上的应用

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硅纳米材料具有小尺寸效应,库伦阻塞效应等特性,使它在纳米限域方面发挥了独特的性能。同时它还易与当前成熟的集成电路工艺相兼容,所以硅纳米材料的制备与应用已成为当今研究者们研究的热点问题。与体硅材料相比,硅纳米线具有更加活泼的化学性质和较好的光学特性,所以它很好地弥补了体硅材料在某些方面的不足。在未来的纳米电子器件和硅集成电路方面,硅纳米材料具有非常好的应用前景。 当今越来越多的科研人员对硅纳米线的制备产生了浓厚的兴趣,主要制备方法包括:激光烧蚀法,热蒸发法,化学气相沉积法(CVD),溶液法,刻蚀法等等。本文依据SLS和VLS两种不同的生长机理,利用高温管式炉分别在硅衬底和蓝宝石衬底上生长硅纳米线。高温管式炉具有操作简单,对实验条件要求不是很高等优点。通过扫描电子显微镜(SEM), EDS, X射线衍射等方法对生长出的硅纳米线进行分析,并且详细阐述了催化剂厚度,载气流量,生长温度,衬底表面平整度等因素对硅纳米线生长的影响。利用SLS机理生长时,1000℃为最佳的生长温度。当载气流量为75sccm时,在衬底表面观察到大面积密集的硅纳米线。利用VLS机理生长时,金层厚度在几十纳米的范围内时,金层越厚硅纳米线生长的速率越快。另外温度梯度也是影响硅纳米线生长的一个重要因素。通过XRD的分析,得出硅在[111]方向的择优生长质量要优于其他的方向。 我们利用基于硅衬底和蓝宝石衬底的硅纳米线制作出对氨气具有非常高灵敏度的氨气传感器。经过对比,基于蓝宝石衬底的氨气传感器的性能要明显优于硅衬底的氨气传感器,其具有更好的重复性,可以在10s之内快速恢复初始状态。通过测试其在不同浓度下的氨气灵敏度,我们观察到该传感器在低浓度25ppm时,响应时间和恢复时间分别为25s和6s,明显快于更高浓度时的时间。所以其更适合在低浓度的气氛下使用。除了恢复速度快,该传感器还具有室温下工作稳定、低功耗、工艺简单、成本低等优势。

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