cu2 改性与zno复合的多孔硅纳米线制备与气敏性能研究

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1、Cu2+改性与ZnO复合的多孔硅纳米线制备与气敏性能研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：廖杰翠指导教师：苗伟副研究员二○一七年五月ThepreparationandgassensingpropertiesofCu2+modifiedandZnOcompositedporoussiliconnanowiresThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinMate

2、rialsScienceandEngineeringbyLiaoJiecuiThesisSupervisor:ProfessorMiaoWeiMay,2017摘要摘要常见的NO2气敏材料中，多孔硅纳米线（PSiNWs）具有比表面积大、工作温度低、原材料丰富与制备工艺简单等优点，是制备应用型气敏传感器的最佳选择之一。但多孔硅纳米线对NO2的检测灵敏度和检测最低浓度等气敏性能仍有较大提升空间，因此，本文分别采用了与其他气敏材料复合及对多孔硅纳米线表面改性的方式对多孔硅纳米线的气敏性能进行改善，使其对NO2的气敏响应效果大幅提高。选择合适制备参数（镀银时间、腐蚀时间

3、）使用Ag催化化学腐蚀法得到的n型多孔硅纳米线能够对ppm级别的NO2产生气敏响应，在50ppm浓度下的最大响应值为8.9%。本文工作中通过在多孔硅纳米线的表面生长ZnO纳米柱，形成三种不同形貌的ZnO纳米柱/PSiNWs复合异质结构，能够在室温下对5ppm的NO2气体产生气敏响应，并且将50ppm浓度下的最大响应值提高到了35.1%。ZnO纳米柱复合多孔硅纳米线的结构不仅增加了气敏材料与气体分子接触的表面积，同时由于ZnO纳米柱与多孔硅纳米线接触界面处的能带弯曲现象，促进了气敏材料内部电子向表面移动与气体分子发生反应，提升了复合结构材料的NO2气敏效果。另一

4、方面，复合结构中ZnO的氧空位浓度增加，不仅可作为NO2气体分子的优先吸附位点，也催化了材料表面气敏反应的进行，从另一个角度促使了ZnO纳米柱/PSiNWs复合结构的NO2气敏性能的提升。为了进一步降低多孔硅纳米线对NO2气体的最低检测浓度，本文使用Cu2+溶液浸泡的方式对多孔硅纳米线进行表面改性，并在多孔硅纳米线表面修饰上了适量的Cu纳米颗粒。改性后的多孔硅纳米线气敏性能从n型转变成了p型，并在NO2浓度为40ppb时即表现明显的气敏响应现象，将多孔硅纳米线对NO2的最低检测浓度降到了ppb级别。同时，在NO2气体浓度为50ppm时，其最大响应值也大幅提升到

5、了50.8%。Cu2+通过与多孔硅纳米线表面的Si—H键等发生氧化还原反应，改变了多孔硅纳米线的主要载流子类型（从电子变为空穴），并且修饰在多孔硅纳米线表面的Cu纳米颗粒可作为NO2气体分子与多孔硅纳米线进行电荷交换的媒介，促进了其表面气敏反应的进行，从而大幅提升了多孔硅纳米线的NO2气敏性能。关键词：多孔硅纳米线；NO2气敏；复合结构；表面改性IAbstractAbstractAmongallNO2gassensingmaterials,poroussiliconnanowires(PSiNWs)withtheadvantagesoflargesurface

6、area,lowworkingtemperature,abundantrawmaterialsandeasyfabricationprocess,hasbeenconsideredasoneofthepromisingcandidatetomakegassensors.However,thegassensitivityandlowestdetectableconcentrationofPSiNWstoNO2canbefurtherimproved.Therefore,compositingwithothergassensingmaterialsandsurfa

7、cemodificationwereusedinthisworktoimprovethegassensingperformanceofPSiNWsandenhanceitsgassensingresponsetoNO2selectively.Withpropersynthesisparameters(silveringtimeandetchingtime),n-typePSiNWsfabricatedbyAg-assistedchemicaletchingperformedgassensingresponsetoNO2atppmlevel,andthehigh

8、estresponseto50ppmN