改性硅纳米线阵列基高性能气体传感器研究

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1、改性硅纳米线阵列基高性能气体传感器研究ResearchoftheHighPerformanceGasSensorswithModifiedSiliconNanowireArray学科专业：微电子学与固体电子学研究生：刘雕指导教师：秦玉香副教授天津大学微电子学院2017年11月摘要表面或结构改性可以有效地提升气体传感器的特性。以往的表面修饰和改性是两种独立的改性体系，对传感器气敏性能的提升都有一定的局限性，并且工艺复杂。本文提出了一种新型、经济有效的工艺方法来制备银修饰的粗糙化结构改性硅纳米线传感器，并进一步提出了“电阻效应”模

2、型来阐明Ag修饰的增强敏感机理。在该工艺中，所修饰的金属银来源和硅纳米线基底的获得是通过金属辅助化学刻蚀法（MACE）；采用四甲基氢氧化铵（TMAH）进行各向异性刻蚀是金属修饰和结构改性工艺中的一个关键步骤。TMAH后刻蚀会在硅纳米线表面引入蚀坑，形成粗糙结构，并且锥化纳米线，使纳米线成为针状结构以达到结构改性的目的。金属银纳晶的修饰是基于部分去除MACE法中生成的银树枝，完成金属银对硅纳米线的预修饰。后经TMAH后刻蚀，使纳米线同时引入结构改性和银颗粒重新排布，使其稳定并且均匀修饰于硅纳米线表面。对修饰、改性后的样品进行SE

3、M、TEM和XPS表征分析，结果表明纳米线的粗糙表面嵌入了大量直径为2-6nm的纳米Ag粒子。对样品进行BET测试表明TMAH后刻蚀引入的结构改性可以大幅度增加硅纳米线的比表面积。在室温下，对光滑、粗糙和银修饰粗糙的硅纳米线分别进行气敏性能测试。测试结果表明，Ag修饰粗糙硅纳米线的探测性能相比未加修饰的硅纳米线有了显著提高，并在室温下可探测到十分稀薄浓度（10ppb）的NO2，响应时间为12s；可探测到330ppb的NH3，响应时间小于2s；对高浓度NO2和NH3的灵敏度比未修饰的高大约3倍。可以看出本文所提出的新改性工艺可以

4、明显提升硅纳米线器件的气敏性能。对于金属修饰和结构改性提高气敏特性的机理，本文提出了一种新的气敏机理模型——“电阻效应”，可以定量解释金属修饰和结构改性提升气敏性能的原理。关键词：硅纳米线，表面修饰，TMAH，气敏机理，电阻效应IABSTRACTSurfaceorstructuremodificationcanbeconsideredasaveryeffectivewaytoimprovethepropertiesofagassensor.Inthepast,thesurfacemodificationandstructure

5、modificationweretwoindependentmodificationsystems,resultingalimitationsontheimprovementofgassensorperformance.Whatismore,themodificationprocesswascomplicated.Inthiswork,wedevelopanovelandcost-effectiveprocesstoprepareAgmodifiedsiliconnanowires(SiNWs)sensor,andfurthe

6、rsuggestaresistanceeffectmodeltoclarifytheenhancedsensingmechanismofAg-modifiedSiNWs.Inthisprocess,theSiNWswereformedviametal-assistedchemicaletching(MACE)withaimtocomperethesensitivepropertieswiththesamplefabricatedbyourprocess;anisotropicetchingoftetramethylammoni

7、umhydroxide(TMAH)isacrucialstepinmetalandstructuremodificationofourprocess.TheTMAHpost-etchingintroducethepitsonthesurfaceofsiliconnanowiresformattingtheroughstructure(RNW),andtapernanowiresformingtheneedle-likestructuretoachievethestructuralmodification.Themodifica

8、tionofthesilvernanocrystalsisbasedonthepartialremovalofthesilverbranchesgeneratedintheMACEprocesswithaimtothecompletepre-modificationofthe