硅纳米线—氧化锌异质结阵列的制备及其湿敏特性研究

论文摘要

二十世纪九十年代以来,低维纳米材料特别是一维半导体纳米材料的制备及其应用已经引起了物理、化学、材料、信息技术等领域研究学者们的关注。一维半导体纳米材料及由其组成的功能器件将会引发新的技术革命,成为二十一世纪纳米科技领域引人注目的焦点。本论文从两种一维半导体纳米材料,即硅纳米线和氧化锌纳米线入手,采用溶液法分别制备出了硅纳米线和氧化锌纳米线。研究了硅纳米线和氧化锌纳米线的制备过程以及实验参数对其制备的影响,通过实验优化得到了最佳的硅纳米线和氧化锌纳米线的制备参数；开展了以硅纳米线作为基底的新型传感器领域的研究,制备了基于硅纳米线--氧化锌异质结阵列的湿敏探测器,研究了其湿敏特性。本论文主要研究内容和成果包括：（1）采用溶液法自上而下地在单晶硅片表面刻蚀了硅纳米线阵列,研究了不同硅片掺杂类型、不同电阻率、不同晶向、不同刻蚀液浓度、不同刻蚀时间、不同刻蚀温度对硅纳米线制备的影响,着重阐述了不同晶向、不同电阻率的硅片的刻蚀机理。研究发现：掺杂类型对SiNWs的形成没有太大的影响,在选取HF+ AgNO3作为刻蚀溶剂的条件下,硅片的刻蚀均是沿[100]晶向进行的,硅片的垂直刻蚀速度随着硅片掺杂浓度的增加而减慢,HF浓度、AgNO3浓度、刻蚀温度和刻蚀时间这四种实验验参数与SiNWs长度均呈单调递增关系,制备SiNWs的最佳实验参数为：HF浓度为5M, AgNO3浓度为0.02M,温度50℃,时间60min。（2）采用溶液法自下而上地在单晶硅衬底上生长了氧化锌纳米线阵列,研究了不同晶种层厚度、不同反应溶液浓度、不同反应时间、不同反应温度对氧化锌纳米线制备的影响。研究发现：ZnO纳米线优先开始在晶种层沿着c轴取向外延生长,晶种层越厚必然生长的ZnO棒晶更加密集,ZnO棒晶的尺寸也越大；当反应物浓度增加时,ZnONWs的长度也随之增加,但密度减小；当反应时间增加时,ZnONWs的长度也随之增加；当温度增至90℃时,制备得到了类似ZnO纳米管的管状结构。（3）在硅纳米线外包覆氧化锌,制备了硅纳米线-氧化锌异质结阵列,将该结构进行封装,制备得到了新型湿敏探测元器件,测试了硅纳米线-氧化锌异质结结构的湿敏特性,研究发现,基于硅纳米线-氧化锌异质结阵列的湿敏元件比厚膜型硅-氧化锌湿敏元件有着较高的灵敏度、较短的响应／恢复时间、较佳的抵御湿滞蠕变的特性和较长的使用寿命。综上所述,溶液法可以在相对温和的条件下制备大面积分布且定向性较好的硅和氧化锌纳米线,湿敏测试结果证明,硅纳米线-氧化锌异质结阵列是一种对外界湿度变化较为敏感的材料结构,有望在传感器领域,如湿敏传感器方面得到广泛的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 绪论
• 1.2 一维半导体纳米材料的研究现状
• 1.2.1 硅（Si）纳米材料简介
• 1.2.2 氧化锌（ZnO）纳米材料简介
• 1.3 一维半导体纳米材料的制备方法
• 1.3.1 固相法
• 1.3.2 气相法
• 1.3.3 液相法
• 1.4 一维半导体纳米材料的应用
• 1.5 本论文研究的目的和内容
• 2 硅纳米线阵列的制备与刻蚀机理研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 硅片预处理
• 2.2.2 溶液法制备硅纳米线（SiNWs）
• 2.3 样品表征与结果分析
• 2.3.1 不同掺杂类型和不同晶向对刻蚀硅纳米线的影响
• 2.3.2 掺杂浓度对刻蚀硅纳米线的影响
• 2.3.3 氢氟酸浓度对刻蚀硅纳米线的影响
• 2.3.4 硝酸银浓度对刻蚀硅纳米线的影响
• 2.3.5 刻蚀温度对刻蚀硅纳米线的影响
• 2.3.6 刻蚀时间对刻蚀硅纳米线的影响
• 2.4 本章小结
• 3 氧化锌纳米线阵列的制备与生长机理研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验方案
• 3.2.1 基底预处理
• 3.2.2 磁控溅射法沉积氧化锌晶种层
• 3.2.3 溶液法制备氧化锌纳米线（ZnONWs）
• 3.3 样品表征与结果分析
• 3.3.1 晶种层厚度对制备氧化锌纳米线的影响
• 3.3.2 反应溶液浓度对制备氧化锌纳米线的影响
• 3.3.3 反应时间对制备氧化锌纳米线的影响
• 3.3.4 反应温度对制备氧化锌纳米线的影响
• 3.4 本章小结
• 4 硅纳米线-氧化锌异质结阵列湿敏特性研究
• 4.1 传感器简介
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 基底预处理
• 4.2.2 溶液法制备硅纳米线（SiNWs）
• 4.2.3 磁控溅射法沉积氧化锌（ZnO）
• 4.2.4 组装硅纳米线-氧化锌湿敏元件（SiNWs-ZnO）
• 4.3 样品表征与结果分析
• 4.3.1 SiNWs-ZnO异质结阵列表面形貌分析
• 4.3.2 SiNWs-ZnO异质结阵列物相成分分析
• 4.3.3 SiNWs-ZnO异质结阵湿敏特性分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果