硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料的制备与气敏性能研究

采用纳米球光刻和金属辅助刻蚀法以p型单晶硅片制备了硅纳米线阵列, 并以此作为基底, 通过溅射不同时长的金属钒薄膜并进行热退火氧化处理, 制备出硅纳米线/氧化钒纳米棒复合材料. 采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪表征了该复合材料的微观特性, 结果表明该结构增大了材料的比表面积, 有利于气体传感, 并且镀膜时间对后续生长的氧化钒纳米棒形貌有明显影响. 采用静态配气法在室温下测试了该复合材料对NO₂的气敏性能, 气敏测试结果表明沉积钒膜的时间对复合材料的气敏性能影响较大. 当选择合适的镀膜时间时, 适量氧化钒纳米棒增加了材料表面积并形成大量pn结结构, 相比纯硅纳米线对NO₂气体的灵敏度有明显提升, 且在室温下表现出优良的选择性. 同时, 对气敏机理做了定性解释, 认为硅纳米线与氧化钒纳米棒之间形成的pn结及能带结构在接触NO₂ 时的动态变化是其气敏响应提升的主要机制.     

Pd颗粒表面修饰ZnO纳米线阵列的制备及其气敏特性

采用化学气相沉积(CVD)方法在SiO_2/Si衬底生长了ZnO纳米线阵列,纳米线长约为15μm,直径为100~500 nm。通过改变溅射沉积时间(0~150 s),在ZnO纳米线表面包覆了不同厚度的Pd薄膜。在Ar气氛中,经800℃高温退火后,制备出Pd颗粒表面修饰的ZnO纳米线阵列并对其进行了气敏测试。对于乙醇而言,所有传感器最佳工作温度均为280℃。溅射时间的增加(3~10 s)导致ZnO纳米线表面Pd纳米颗粒数量及尺寸增加,传感器响应值由2.0增至3.6。过长的溅射时间(30~150 s)将导致Pd颗粒尺寸急剧增大甚至形成连续膜,传感器响应度显著降低。所有传感器对H2均表现出相对较好的选择性,传感器具有较好的响应-恢复特性和稳定性。最后,探讨了Pd颗粒表面修饰对ZnO纳米线阵列气敏传感器气敏特性的影响机制。     

基于氧化锌纳米线的紫外发光二极管

构建了基于n-ZnO纳米线/p-Si异质结的紫外发光二极管.ZnO纳米线准阵列采用水热法生长于重掺p型Si片上.此法简易，反应温度低，易于大规模生产；其产物ZnO纳米线结晶良好，以c轴为优势取向，光激发下的紫外荧光发射很强.二极管的电学接触采用聚合物填充的In阴极或以氧化铟锡(ITO)玻璃紧压形成阴极.它们的I-V特性体现出良好的二极管性质.在正向偏置电压驱动下，构建的发光二极管可稳定发射波长在387nm的较强的近紫外光和较弱的绿光. 关键词： ZnO纳米线 异质结 电致发光 水热法     

微流控技术制备ZnO纳米线阵列及其气敏特性

利用微流控技术在微通道中制备了Zn O纳米线阵列,通过X射线衍射和扫描电子显微镜分别对纳米线的物相和表面形貌进行了表征.结果发现,合成的Zn O纳米线具有良好的c轴择优取向性和结晶度.同时,对Zn O纳米线阵列在丙酮、甲醇和乙醇气体中的气敏特性进行了研究,测试结果表明:在最佳工作温度(475?C)下,纳米线阵列对200 ppm(1 ppm=10-6)丙酮气体的最大灵敏度可达8.26,响应恢复时间分别为9和5 s;通过与传统水热法制备的Zn O纳米线的气敏性能相比较发现,基于微流控技术制备的纳米线阵列具有更高的灵敏度和更快的响应恢复速度.最后,从材料表面氧气分子得失电子的角度对Zn O纳米线气敏机理进行了讨论.     

外电场极化对纳米氧化锌拉曼活性及气敏性能的影响

采用沉淀法制备了纳米氧化锌粒子,着重对其进行了不同条件(电场强度、极化温度)下的外电场极化处理.以X射线衍射仪和拉曼光谱仪对产物的结构、拉曼位移等进行了表征.测试了氧化锌极化产物在乙醇、丙酮气体中的气敏性能,研究了外电场效应对纳米氧化锌拉曼光谱和气敏性能的影响机制.结果表明,纳米氧化锌样品在外电场中存在着极化电场强度和温度的阈值,当电场强度和温度分别大于9375 V·cm~(-1)和150℃时,纳米氧化锌试片出现明显的漏电现象,极化效应显著降低并消失.在电场强度和温度阈值范围内,外电场极化作用能够导致氧化锌437 cm~(-1)处的拉曼特征峰强度明显降低.随外电场强度和极化温度增加,纳米氧化锌元件在丙酮气体中的灵敏度逐渐升高,在乙醇气体中的灵敏度逐渐降低,即外电场极化可以有效调控纳米氧化锌的气敏选择性.     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

银纳米颗粒/多孔硅复合材料的制备与气敏性能研究

采用双槽电化学腐蚀法以电阻率为10-15 Ω·cm的p型<100>晶向的单晶硅片制备了孔径约为1.5 μm, 孔深约为15-20 μm的p型多孔硅, 并以此多孔硅作为基底采用无电沉积法通过调控沉积时间在其表面沉积了不同厚度的银纳米颗粒薄膜. 采用扫描电子显微镜和X 射线衍射仪表征了银纳米颗粒/多孔硅复合材料的形貌和微观结构, 结果表明银纳米颗粒较均匀的分布于多孔硅的表面上且沉积时间对产物的形貌有重要影响. 采用静态配气法在室温下研究了银纳米颗粒/多孔硅复合材料对NH₃的气敏性能. 气敏测试结果表明沉积时间对产物的气敏性能影响较大. 当沉积时间较短时, 适量银纳米颗粒掺杂的多孔硅复合材料由于其较高的比表面积以及特殊的形貌和结构, 对NH₃气体表现出较高的灵敏度、优良的响应/恢复性能. 室温下, 其对50 ppm 的NH₃气体的气敏灵敏度可以达到5.8左右.     

纳米结构薄膜型气敏传感器的研究进展

薄膜型气敏器件对气体具有探测灵敏度高、响应时间快、制备成本较低、易于小型化等特点,并且适于制备微型传感器,因此成为近年来传感器研究的重点。将纳米结构材料制作成薄膜型气敏传感器,具有常规传感器不可替代的优点：纳米结构构成的固体材料具有庞大的界面,提供了大量气体通道,从而大幅度提高了灵敏度和降低了工作温度,并可缩小传感器的尺寸。文章主要介绍了当前国内外纳米结构薄膜型气敏传感器的研究现状,概述了几种常见的纳米结构单元薄膜的气敏特性,扼要地分析了今后纳米薄膜型传感器的研究趋势。     

纳米结构薄膜型气敏传感器的研究进展

薄膜型气敏器件对气体具有探测灵敏度高、响应时间快、制备成本较低、易于小型化等特点,并且适于制备微型传感器,因此成为近年来传感器研究的重点。将纳米结构材料制作成薄膜型气敏传感器,具有常规传感器不可替代的优点:纳米结构构成的固体材料具有庞大的界面,提供了大量气体通道,从而大幅度提高了灵敏度和降低了工作温度,并可缩小传感器的尺寸。文章主要介绍了当前国内外纳米结构薄膜型气敏传感器的研究现状,概述了几种常见的纳米结构单元薄膜的气敏特性,扼要地分析了今后纳米薄膜型传感器的研究趋势。     

一维纳米氧化锌自驱动紫外探测器的构建与性能研究

本文通过化学气相沉积法制备了ZnO纳米材料, 利用扫描电镜、光致发光谱、X衍射光谱及拉曼光谱等方法对制备的材料进行了表征. 基于制备的单根ZnO线分别构建了三种不同结构的紫外探测器件: Ag-ZnO-Ag肖特基型、PEDOT:PSS/n-ZnO结型和p-Si/n-ZnO结型紫外探测器, 并对器件的性能进行了研究. 结果表明: 三种不同结构的器件都表现出良好的整流特性, 对紫外线均有明显的光响应; 在零偏压下, 都有明显的自驱动特性. 三种器件中, p-Si/n-ZnO型紫外探测器性能最为优异: 在零偏压下, 暗电流约在1.2×10^-3 nA, 光电流在5.4 nA左右, 光暗电流比为4.5×10³, 上升和下降时间分别为0.7 s和1 s. 通过三类器件性能比较, 表明无机p-Si更适合与ZnO构建pn结型自驱动紫外探测器.     

锡催化剂助生长法制备孪晶ZnO纳米线及其结构表征

用SnO和Zn的均匀混合物在高温下共烧通过VLS机制制备出孪晶ZnO纳米线的均匀结构。SEM图像显示孪晶ZnO纳米线的直径在100~200nm之间,长度在几十微米到几百微米之间的范围内,有的甚至达到了毫米级,产率也非常的高。TEM图像中ZnO孪晶纳米线顶端的金属Sn颗粒表明了孪晶结构的Sn催化生长。高分辨电子图谱显示了氧化锌纳米线孪晶结构的特征。电子衍射分析发现孪晶氧化锌的晶带轴的方向是[0110],孪晶面为(1013),并且通过明场像和暗场像分析了孪晶纳米线的晶格关系,确定了孪晶纳米线的汽-液-固(VLS)生长机制。     

紫外光激发下氧化锌纳米线的发光特性研究

室温条件下,用355 nm的激光激发氧化锌纳米线,测量了其发光光谱.观察到半宽度较小、峰值波长约382 nm的紫光峰和半宽度较宽、峰值波长约507 nm的绿光峰;两峰的发光强度随激发光功率密度的变化而变化,且均存在饱和效应,但各自的变化规律及饱和值的大小不同;紫光峰的中心波长随激发光功率密度的增加而发生了明显的红移.对两峰产生的机理、强度饱和值存在的原由、强度随激发光功率密度变化及紫光峰红移的起因进行了分析.     

杂质银对氧化锌薄膜气敏光学特性的影响

用反应式射频磁控溅射方法制备了纯氧化锌（ＺｎＯ）薄膜和掺Ａｇ的ＺｎＯ气敏光学传感薄膜。测量了这些薄膜在ＮＯｘ气体中的透射光谱，然后由透射光谱获得了灵敏度的变化规律，发现掺Ａｇ后的ＺｎＯ薄膜对ＮＯｘ气体的灵敏度高于纯ＺｎＯ薄膜，用俄歇电子能谱（ＡＥＳ）测试了这些薄膜的组分，发现当掺Ａｇ量为５％时灵敏度最高，并结合朗缪尔（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）型吸附平衡关系式解释了这些现象，理论和实验结果能很好的相符。     

LED光激活氧化锌纳米棒的乙醇气敏特性

利用水热法制备了氧化锌纳米棒材料,分析表征了样品的形貌及晶体结构特征,并测试了氧化锌纳米棒的光致发光谱。在室温条件下,研究了ZnO 纳米棒在不同波长的发光二极管(LED)光激发下对乙醇气体的气敏特性。结果表明:波长小于405 nm的紫外光对氧化锌纳米棒的气敏特性有着显著的影响,光致载流子对氧化锌的气敏特性有重要作用。分析讨论了室温下光激活纳米氧化锌气敏的机理。     

Functionalized Pd/ZnO Nanowires for Nanosensors

A method for surface doping and functionalization of ZnO nanowires (NWs) with Pd (Pd/ZnO) in a one‐step process is presented. The main advantage of this method is to combine the simultaneous growth, surface doping, and functionalization of NWs by using electrochemical deposition (ECD) at relatively low temperatures (90 °C). Our approach essentially reduces the number of technological steps of nanomaterial synthesis and final nanodevices fabrication with enhanced performances. A series of nanosensor devices is fabricated based on single Pd/ZnO NWs with a radius of about 80 nm using a FIB/SEM system. The influence of Pd nominal composition in Pd/ZnO NW on the H₂ sensing response is studied in detail and a corresponding mechanism is proposed. The results demonstrate an ultra‐high response and selectivity of the synthesized nanosensors to hydrogen gas at room temperature. The optimal concentration of PdCl₂ in the electrolyte to achieve extremely sensitive nanodevices with a gas response (S_H2) ≈ 1.3 × 10⁴ (at 100 ppm H₂ concentration) and relatively high rapidity is 0.75 µM. Theoretical calculations on Pd/ZnO bulk and functionalized surface further validated the experimental hypothesis. Our results demonstrate the importance of noble metal presence on the surface due to doping and functionalization of nanostructures in the fabrication of highly‐sensitive and selective gas nanosensors operating at room temperature with reduced power consumption.     

Enhancing UV photosensitivity of ZnO UV nanosensor using electrical stimulation at megahertz frequency

We report a novel technique to enhance the ultraviolent (UV) photosensitivity of ZnO nanosensor with ZnO nanowires bridged on micromachined metallic electrodes. The experimental results reveal that the photoconductivity and the time response of the ZnO nanowire sensor with either Schottky or Ohmic contacts are significantly improved by electrifying the nanowire sensors using an alternating current at the frequency of megahertz. An integrated UV sensor incorporating ZnO nanowires with a constant current mode driving circuit is developed, which demonstrates promising sensitivity and time response to UV illumination with a low power consumption.     

Enhancing UV photosensitivity of a ZnO UV nanosensor using electrical stimulation at megahertz frequency

We report a novel technique to enhance the ultraviolet (UV) photosensitivity of a ZnO nanosensor with ZnO nanowires bridged on micromachined metallic electrodes. The experimental results reveal that the photoconductivity and the time response of the ZnO nanowire sensor with either Schottky or Ohmic contacts are significantly improved by electrifying the nanowire sensors using an alternating current at the frequency of megahertz. An integrated UV sensor incorporating ZnO nanowires with a constant current mode driving circuit is developed, which demonstrates promising sensitivity and time response to UV illumination with a low power consumption.     

ZnO纳米线阵列的定向生长、光致发光及场发射性能

采用光刻和脉冲准分子激光沉积技术在Si衬底上制备了图形化的ZnO种子层薄膜。分别采用气相输运和水热合成法,制备了最小单元为30μm的图形化的垂直定向生长的ZnO纳米线阵列。X射线衍射(XRD)分析显示ZnO纳米线阵列具有高度的c轴[001]择优取向生长特性。从扫描电子显微镜(SEM)照片看出,阵列图形完整清晰,边缘整齐。纳米线阵列室温下光致发光(PL)谱线中在380nm左右具有强烈的紫外发射峰,可见光区域发射峰得到了抑制,证明ZnO纳米线缺陷少,晶体质量高。场致电子发射测量表明,ZnO纳米线阵列开启电场和阈值电场分别为2.3,4.2V/μm,具有较好的场致电子发射性能。     

单根ZnO纳米线低温条件下的电子输运及光敏性质

用化学气相沉积的方法合成了ZnO纳米线,采用微栅模板法制得电极从而获得欧姆接触的单根ZnO纳米线半导体器件。通过研究60~300 K范围内的电阻变化情况,发现在整个温度区间内存在热激活和近程跳跃两种传输机制。在300,200,100 K的条件下分别测试了器件的紫外光响应和恢复情况,结果表明：低温下器件对紫外光的敏感性提高,电流的恢复时间随着温度的降低而延长。