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碳在自然界中分布广泛,储量丰富。由于碳元素具有独特的杂化轨道和电子结构,因此它可以形成许多结构和性能各异的纳米碳材料,如非晶碳、碳纳米管、石墨烯和富勒烯等。这些新型碳材料在气体探测中的应用正越来越受到人们的重视。设计、制备基于这些碳材料的新型气体传感器对安全、环境监测与保护等相关等领域具有重要的应用价值和深远的科学意义。本文以非晶碳、碳纳米管和石墨烯等纳米碳材料为研究对象,设计、制备了基于这些碳材料的新型气体传感器—纳米碳膜/二氧化硅/硅异质结气体传感器,并研究了它们的氢气敏感特性;另外还设计、制备了以纸为基底的柔软、便宜的还原氧化石墨烯氨气传感器。主要研究内容如下:(1)利用直流磁控溅射技术在带有自然氧化层的硅(n型和p型)基底上依次沉积钯掺杂的非晶碳膜和钯薄膜,制备了钯薄膜修饰的钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/硅(Pd/a-C:Pd/SiO2/Si)异质结,系统研究了Pd/a-C:Pd/SiO2/n-Si和Pd/a-C:Pd/SiO2/p-Si两种异质结的氢气敏感特性,利用能带理论和半导体理论揭示了Pd/a-C:Pd/SiO2/Si异质结的氢气敏感机理。研究发现,Pd/a-C:Pd/SiO2/n-Si和Pd/a-C:Pd/SiO2/p-Si两种异质结具有不同的氢气敏感模式:在氢气气氛中,Pd/a-C:Pd/SiO2/n-Si异质结的电流变大,而Pd/a-C:Pd/SiO2/p-Si异质结的电流变小。两种异质结的电流-电压(I-V)特性对氢气都非常敏感:Pd/a-C:Pd/SiO2/n-Si(Pd/a-C:Pd/SiO2/p-Si)异质结对0.1%、1%和1.6%氢气的灵敏度分别为210%(185%)、5030%(560%)和13100%(840%)。此外,两种异质结在空气和纯氢气中I-V特性恰好完全相反:Pd/a-C:Pd/Si O2/n-Si异质结在空气中表现出反型异质结特性,在纯氢气中表现出同型异质结特性;而Pd/a-C:Pd/SiO2/p-Si异质结在空气中表现出同型异质结特性,在纯氢气中则表现出反型异质结特性。(2)采用化学方法对单壁碳纳米管(SWNTs)修饰钯纳米颗粒,然后采用抽滤方法制备了钯纳米颗粒修饰的SWNTs薄膜(Pd-SWNTs),最后将该薄膜转印到带有自然氧化层的硅(n型和p型)和玻璃基底上,分别制备了Pd-SWNTs/SiO2/Si异质结和Pd-SWNTs薄膜电阻型气体传感器,并研究了其氢气敏感特性。利用能带理论、半导体理论和热电子发射理论等揭示了Pd-SWNTs/SiO2/Si异质结的氢气敏感机理。研究发现,Pd-SWNTs/SiO2/p-Si异质结具有超高的氢气灵敏度:对0.02%、0.05%和0.1%氢气的灵敏度分别为125%、320%和920%,是Pd-SWNTs薄膜电阻型氢气传感器灵敏度的几十倍,也远远高于文献中报道过的碳纳米管电阻型氢气传感器的灵敏度。Pd-SWNTs/SiO2/Si异质结的气敏性能依赖于Pd-SWNTs薄膜和硅之间的界面效应以及异质结的串联电阻等因素。此外,钯纳米颗粒的修饰量也对其灵敏度有很大影响。(3)分别制备了钯纳米颗粒修饰和钯薄膜的还原氧化石墨烯/二氧化硅/p型硅(Pd-rGO/SiO2/p-Si和Pd/r GO/SiO2/p-Si)两种肖特基结,研究了这两种肖特基结的氢气敏感特性,并利用能带理论、半导体理论和热电子发射理论等揭示了两种肖特基结的氢气敏感机理。研究发现,Pd-rGO/SiO2/p-Si和Pd/rGO/SiO2/p-Si两种肖特基结的I-V特性对氢气非常敏感:在氢气中时,Pd-r GO/SiO2/p-Si(Pd/rGO/SiO2/p-Si)肖特基结的电流都减小,对0.01%、0.02%、0.04%、0.08%和0.16%氢气的灵敏度分别为63%(30%)、103%(55%)、195%(112%)、410%(202%)和970%(344%),这远大于文献中报道过的石墨烯电阻型氢气传感器的灵敏度。另外,研究还发现,Pd/rGO/SiO2/p-Si肖特基的电容也对氢气非常敏感:对0.01%、0.02%、0.04%、0.08%和0.16%氢气的灵敏度分别为26%、42%、61%、75%和81%。(4)利用抽滤方法在滤纸上制备了一层氧化石墨烯薄膜,利用硼氢化钠将之还原,制备了柔软、便宜、高灵敏度的纸基底的还原氧化石墨烯(rGO/paper)氨气传感器,并研究了直流和交流电阻的氨气敏感特性。研究发现,rGO/paper氨气传感器被置于氨气中时,其直流和交流电阻都快速变大,当又被置于空气中时,电阻会快速恢复到原来空气中的值。直流(交流)电阻对0.01%、0.02%、0.05%和0.1%氨气的灵敏度分别为14%(12%)、24%(15%)、41%(23%)和57%(32%),这好于在硬基底上的rGO薄膜氨气传感器的灵敏度。