面向能耗低、恢复快的微纳结构传感器的制备与特性研究

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1、密级:公开硕士学位论文面向能耗低、恢复快的微纳结构传感器的制备与特性研究作者姓名：俞伟伟指导教师:戴宁研究员中科院上海技术物理研究所孙艳副研究员中科院上海技术物理研究所学位类别:理学硕士学科专业:凝聚态物理研究方向：纳米材料，纳米光电子学及微纳加工技术培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2016年4月学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保

2、存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日TheFabricationandStudyofFast-recoverableLow-energyConsumingNanostructureBasedSensorBy[WeiweiYu]ADissertationSu

3、bmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterof[CondensedMatterPhysics]ShanghaiInstitudeofTechnicalPhysicsChineseAcademyofSciencesApril,2016致谢致谢如果本篇论文还有那么些许可圈可点之处，那么这些都要归功于导师戴宁研究员，陈鑫研究员，孙艳副研究员的悉心指导和指点迷津。感谢导师

4、戴宁研究员在科研中的指导，更感谢您在做人做事方面的点拨。师者，所以传道授业解惑也。于困惑中，点开迷雾；于迷途中，指出方向，感谢您带领我们走入科研的大门，又指点我们如何走出象牙塔的大门。感谢导师陈鑫研究员与导师孙艳副研究员，一位在科研中的严谨指导，一位在生活中温暖的帮助，使我成为世界上最幸运的研究生。可能说严父如陈老师，慈母如孙老师，将二位导师年纪说老，但情谊若此，聊以为意。感谢课题组导师郝加明研究员在科研中对我的帮助和指导。在您那里学到很多知识，您在物理理论方面的功底让我望其项背。感谢张云，赵强，朱亮,许昊师兄在实验中的

5、悉心指点和无私帮助，是你们让我掌握了基本的实验技能。感谢张克难，魏调兴，刘玉峰，张礼杰，李志伟，赵文超师兄，董文静，邹娟娟，葛美英，丛蕊师姐的热心帮助。感谢张天宁，王书霞，刘雨丛，张铭颖，翟晨慧，郑华，石跃杰的支持与帮助。感谢NTU于霆教授在过去十五年中对我在物理上的启发和引导。还要感谢父母的支持和两位姐姐及丽萍姐的关心和照顾。作者2016年4月I摘要摘要半导体电阻型气敏传感器是通过金属氧化物纳米结构吸附并离子化氧气分子，通过氧化还原反应过程实现目标分子的检测。通常离子化的过程在200~400℃的工作温度下进行。如何降低

6、金属氧化物的气敏传感器的工作温度成为近年的重要研究目标。然而金属氧化物型气敏传感器工作温度的降低就必然会导致气体分子的吸附-脱附速率减慢，工作温度和传感器的响应-恢复成了一对矛盾。本论文重点探索和解决传感器的低温工作和快速恢复不能同时满足这一关键问题，通过调控敏感材料的微纳结构，改进器件性能，提高低温下金属氧化物型半导体传感器的响应率，并降低恢复时间。本文目的在于实现环境物质的探测，主要聚焦于气敏传感器及折射率传感器。这两种探测器的共同点在于都能够感应到其附近环境物质的变化。取得的重要进展包括以下两个方面：1）设计并制备

7、了CuO/WO3异质结构，我们发现n型材料掺入P型CuO纳米颗粒，气敏性能不再依赖于气敏材料表面的氧负离子的浓度。当温度降低到60℃，对低浓度的目标气体仍有超高的响应率，且选择性好。为了实现传感器在低温下的快速恢复，我们调整了传感器结构，加入脉冲电压的设计。该方案可以推广到整个金属氧化物电阻型气敏传感器中，是解决该类传感器件在低温下恢复慢的有效方案。本论文中设计的传感器对硫化氢气体探测具体指标5如下：在60°C下对4ppm的目标气体响应率达到~10,恢复时间从几个小时缩短到60s左右。2）为了解决电学传感器工作温度高，测

8、试背景噪声大，重复稳定性差，探测目标限于气体分子等局限。我们利用光学探测器零响应-恢复时间，零功耗，重复性稳定性好的优势，制备了Al/Al2O3/Al法布里珀罗（F-P）共振腔结构，研究了光学折射率传感特性，实现了光学环境折射率探测器的工作波段在0.2~2m可调。为了改善传感器对入射角度敏感的问题，本论文对Al/A