Ⅱ-VI族化合物半導體-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構有關，另一方面和敏感材料本身的濕敏特性有關。具有較大比表面積的傳感器一般具有較大的濕敏響應度，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構，所

2、以具有較大比表面積。由硅柱和多孔層構成的溝道網(wǎng)絡有助于水分子輸運，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度和較好的響應恢復性能的濕敏傳感器，本文選擇用Si

3、-NPA作為基底，以兩種II-VI族半導體材料作為濕敏材料，用ZnO納米材料來增加比表面積，同時作為濕敏材料，然后在ZnO納米材料表面生長CdS納米材料，一方面進一步增大比表面積，另一方面利用它的感濕性能，構建了一種“芝麻糖”束構成的陣列結構（CdS/ZnO/Si-NPA）。測試后發(fā)現(xiàn)，該濕敏傳感器極大的電容響應值和較快的響應恢復速度。另外，為了進一步研究其濕敏機理，分別單獨在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”束陣列結構—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構，這能夠讓傳感器的比表面積得到很大的增大，同時 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”束的陣列結構，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，對水分子的吸附能力較大，能夠使得濕敏性能進一步增強。
　　經(jīng)過濕敏測試，發(fā)現(xiàn)在20Hz時，CdS/ZnO/Si-NPA的電容響應度達到了201530％；在11-95%RH之間具有較短的靜態(tài)響應恢復時間，分別為110s和32s；其濕滯較小，為75%RH處的2.67%。分析認為，C

6、dS/ZnO/Si-NPA對濕度高敏感的特性應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；較短的響應恢復時間和較小的濕滯則歸因于Si-N PA的溝道網(wǎng)絡結構，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思路，為后續(xù)工作開展提供了一個參考。
　　2、CdS/Si-NPA的感濕特性以及氯化鋰對其復合改性的研究
　　為

7、了進一步揭示CdS/ZnO/Si-NPA的感濕性能與機理，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。實驗結果發(fā)現(xiàn)，CdS/Si-NPA具有較大的電容響應度，但比CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器的小得多，分析認為CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器具有“芝麻糖”狀的陣列結構，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度。另外，CdS/Si-NPA的響應時間相對較長，所以CdS可能是導致CdS/ZnO/Si-NPA濕敏傳感器響應恢復性能不佳的原因。CdS/Si-NPA在高濕環(huán)境中的響應恢復時間較長，濕滯較大，重復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的響應速度不快的原因，初步分析是由于硫化鎘納米粒子的響應速度較慢所致。
　　為了提高CdS/Si-NPA濕敏傳感器的濕敏性能，考慮復合氯化鋰來進行改善。從響應特性上看，復合氯化鋰后，濕敏傳感器的響應恢復時間得到了巨大的縮減。濕滯測試、重復性測試和穩(wěn)定性測試的結果顯示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)秀的重復性能（在3個回合中保持基本不變），在長達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速度，并且其濕度檢測范圍也比CdS/Si-NPA的寬，達到了11-75%RH，從這個方面分析可以得出，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；就響應恢復速度而言，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的響應速度是硫化鎘和氧化鋅

12、共同作用的結果。ZnO/Si-NPA的電容響應度比CdS/Si-NPA要小一個量級，所以CdS/ZnO/Si-NPA傳感器的巨大的電容響應度應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。
　　鑒于氯化鋰復合CdS/Si-NPA的良好效果，對ZnO/Si-NPA也進行了氯化鋰的復合。結果顯示，復合氯化鋰后的傳感器的性能有很大的提升，響應速度明顯加快，穩(wěn)定性大大提高，感濕特性曲線的線性度也得