Ⅱ-VI族化合物半導(dǎo)體-硅納米孔柱陣列的濕敏性能研究.pdf

1、諸多研究表明，濕敏傳感器的性能表現(xiàn)一方面和傳感器材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面和敏感材料本身的濕敏特性有關(guān)。具有較大比表面積的傳感器一般具有較大的濕敏響應(yīng)度，所以人們越來越多的制作或采用比表面積較大的材料作為載體，用來復(fù)合（裝載/摻雜）具有較好濕敏性能的敏感材料來制作高性能濕敏傳感器，或者直接用濕敏性能較好的材料制作比表面積較大的濕敏傳感器。硅納米孔柱陣列（Si-NPA），由微米級(jí)的多孔硅柱陣列和支撐硅柱的多孔層組成，具有多層次的微觀結(jié)構(gòu)，所

2、以具有較大比表面積。由硅柱和多孔層構(gòu)成的溝道網(wǎng)絡(luò)有助于水分子輸運(yùn)，已經(jīng)被證明比較適合作為濕敏傳感器，或者濕敏傳感器的基底。作為II-VI族成員之一的氧化鋅（ZnO）納米材料，性能穩(wěn)定，且具備眾多的微觀形貌，可以用來構(gòu)造豐富的具有較大比表面積的濕敏傳感器。硫化鎘（CdS）也是II-VI族成員之一，具有較強(qiáng)的親水性能，有研究表明是一種較有前景的濕敏材料。
　　為了能夠得到具有較大的響應(yīng)度和較好的響應(yīng)恢復(fù)性能的濕敏傳感器，本文選擇用Si

3、-NPA作為基底，以兩種II-VI族半導(dǎo)體材料作為濕敏材料，用ZnO納米材料來增加比表面積，同時(shí)作為濕敏材料，然后在ZnO納米材料表面生長CdS納米材料，一方面進(jìn)一步增大比表面積，另一方面利用它的感濕性能，構(gòu)建了一種“芝麻糖”束構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)（CdS/ZnO/Si-NPA）。測試后發(fā)現(xiàn)，該濕敏傳感器極大的電容響應(yīng)值和較快的響應(yīng)恢復(fù)速度。另外，為了進(jìn)一步研究其濕敏機(jī)理，分別單獨(dú)在Si-NPA上生長了CdS和ZnO，并用氯化鋰（LiCl）來

4、改善CdS/Si-NPA和ZnO/Si-NPA的濕敏性能，發(fā)現(xiàn)少量氯化鋰的加入就可以對其性能產(chǎn)生明顯的改善。具體研究工作如下：
　　1、“芝麻糖”束陣列結(jié)構(gòu)—CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器
　　首先用CVD法在Si-NPA上生長一種氧化鋅納米棒束的陣列結(jié)構(gòu)，這能夠讓傳感器的比表面積得到很大的增大，同時(shí) ZnO是一種濕敏材料，從而能從兩方面提升傳感器的性能。用SILAR法在ZnO納米棒上生長硫化鎘納米粒子，形成了一種“

5、芝麻糖”束的陣列結(jié)構(gòu)，ZnO納米棒作為“棒狀糖”，CdS納米粒子作為“芝麻”，一方面使得傳感器的比表面積增大，另一方面硫化鎘本身是一種具有較大親水性的物質(zhì)，對水分子的吸附能力較大，能夠使得濕敏性能進(jìn)一步增強(qiáng)。
　　經(jīng)過濕敏測試，發(fā)現(xiàn)在20Hz時(shí)，CdS/ZnO/Si-NPA的電容響應(yīng)度達(dá)到了201530％；在11-95%RH之間具有較短的靜態(tài)響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，分別為110s和32s；其濕滯較小，為75%RH處的2.67%。分析認(rèn)為，C

6、dS/ZnO/Si-NPA對濕度高敏感的特性應(yīng)該歸因于此材料具有非常大的比表面積和材料較好的感濕性能；較短的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和較小的濕滯則歸因于Si-N PA的溝道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及硫化鎘和氧化鋅的協(xié)同作用。因此，CdS/ZnO/Si-NPA可以作為一種制作高性能濕敏傳感器的理想材料體系，為高性能的濕敏傳感器制作提供了一個(gè)思路，為后續(xù)工作開展提供了一個(gè)參考。
　　2、CdS/Si-NPA的感濕特性以及氯化鋰對其復(fù)合改性的研究
　　為

7、了進(jìn)一步揭示CdS/ZnO/Si-NPA的感濕性能與機(jī)理，用SILAR法在Si-NPA上生長零維的硫化鎘納米粒子，對CdS/Si-NPA開展研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CdS/Si-NPA具有較大的電容響應(yīng)度，但比CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器的小得多，分析認(rèn)為CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器具有“芝麻糖”狀的陣列結(jié)構(gòu)，相比CdS/Si-NPA濕敏傳感器的“火山口”狀的陣列，CdS/ZnO/Si-NPA具有更大的比表面積，所以Cd

8、S/ZnO/Si-NPA具備更大的濕敏響應(yīng)度。另外，CdS/Si-NPA的響應(yīng)時(shí)間相對較長，所以CdS可能是導(dǎo)致CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器響應(yīng)恢復(fù)性能不佳的原因。CdS/Si-NPA在高濕環(huán)境中的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間較長，濕滯較大，重復(fù)性較差等問題都比較明顯。綜上初步分析得出，CdS/ZnO/Si-NPA傳感器的巨大響應(yīng)度，很大一方面來自硫化鎘的親水性，另一方面來自CdS/ZnO/Si-NPA材料自身巨大的比表面積；CdS/ZnO/

9、Si-NPA的響應(yīng)速度不快的原因，初步分析是由于硫化鎘納米粒子的響應(yīng)速度較慢所致。
　　為了提高CdS/Si-NPA濕敏傳感器的濕敏性能，考慮復(fù)合氯化鋰來進(jìn)行改善。從響應(yīng)特性上看，復(fù)合氯化鋰后，濕敏傳感器的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間得到了巨大的縮減。濕滯測試、重復(fù)性測試和穩(wěn)定性測試的結(jié)果顯示LiCl:CdS/Si-NPA在中低濕下表現(xiàn)出非常小的濕滯（1.36%，在11%RH），并具備優(yōu)秀的重復(fù)性能（在3個(gè)回合中保持基本不變），在長達(dá)7h的穩(wěn)定性

10、測試中，表現(xiàn)優(yōu)秀，說明LiCl:CdS/Si-NPA濕敏傳感器在11%-54%RH范圍內(nèi)具有很好的濕敏性能。
　　3、ZnO/Si-NPA的感濕特性及氯化鋰對其復(fù)合改性的研究
　　為了搞清CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器中，ZnO納米棒對傳感器濕敏性能的影響，用CVD法在Si-NPA上生長ZnO納米棒，并最終制作了ZnO/Si-NPA濕敏傳感器，對其性能展開研究。對ZnO/Si-NPA的濕敏性能進(jìn)行系統(tǒng)的測試后，發(fā)現(xiàn)Z

11、nO/Si-NPA濕敏傳感器擁有較快的響應(yīng)速度，并且其濕度檢測范圍也比CdS/Si-NPA的寬，達(dá)到了11-75%RH，從這個(gè)方面分析可以得出，CdS/ZnO/Si-NPA較寬的濕度檢測范圍可能很大程度上歸因于ZnO/Si-NPA的濕敏性能；就響應(yīng)恢復(fù)速度而言，ZnO/Si-NPA的比CdS/ZnO/Si-NPA的快，而CdS/ZnO/Si-NPA的又比CdS/Si-NPA的快，所以CdS/ZnO/Si-NPA的響應(yīng)速度是硫化鎘和氧化鋅

12、共同作用的結(jié)果。ZnO/Si-NPA的電容響應(yīng)度比CdS/Si-NPA要小一個(gè)量級(jí)，所以CdS/ZnO/Si-NPA傳感器的巨大的電容響應(yīng)度應(yīng)該歸功于硫化鎘這種材料的親水性能和CdS/ZnO/Si-NPA這種材料本身的大比表面積。
　　鑒于氯化鋰復(fù)合CdS/Si-NPA的良好效果，對ZnO/Si-NPA也進(jìn)行了氯化鋰的復(fù)合。結(jié)果顯示，復(fù)合氯化鋰后的傳感器的性能有很大的提升，響應(yīng)速度明顯加快，穩(wěn)定性大大提高，感濕特性曲線的線性度也得