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纳米碳/硅异质结的制备及其气敏性研究

作　者: 陈惠娟
导　师: 薛庆忠
学　校: 中国石油大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 异质结 电输运性质 气敏特性
分类号: TB381
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


论文第一部分利用磁控溅射的方法在Si(100)基片上成功沉积了一系列不同结构的非晶碳膜(a-C),对其电输运特性和气体敏感特性进行了较为详细的研究。首先,研究了在室温下NH3对碳纳米薄膜/硅(C/Si)异质结的电容-频率(C-F)特性的影响。主要结果为:在外加频率为50Hz时,当C/Si异质结从空气中转移到盛有少量NH3气体的锥形瓶中(浓度0.2ml/L),异质结的电容迅速地增加到在空气中的230%,改变外加频率,分别为1000、10000、100000Hz时,异质结电容分别增加到在空气中的200%、170%和130%,并提出了相应的理论模型解释了上述现象。研究表明,可以利用C/Si异质结的氨气敏感特性开发氨气传感器。其次,研究了纳米针尖阵列(CNA)结构的制备条件和CNA/Si异质结的酒精气敏特性。其主要结果为:氩气气压对沉积的薄膜表面形貌有着较大的影响,只有在特定的Ar气压下沉积才能形成CNA结构。并且,酒精气体对CNA/Si异质结的电流-电压(I-V)和C-F特性具有显著的影响。尤其对于正向的I-V性质,当正向电压稳定时,将CNA/Si异质结从空气转移到含有少量酒精气体(0.64g/L)的锥形瓶中,其结电阻迅速地减小。经过多次实验发现异质结对酒精气体的敏感度随着薄膜厚度的增加而下降。在外加频率5000Hz下,重复测量酒精气体对异质结电容的影响,实验结果表明当异质结从空气转移到酒精气体中时,异质结的电容值迅速上升,上升到原来的140%,响应时间和恢复时间都非常短。该CNA/Si异质结在酒精气体传感器领域具有潜在的应用价值。最后,研究了在室温下湿度对C/Si异质结电容的影响,选用过饱和盐溶液作为湿度值的标定。主要的实验结果为:在外加频率1000Hz下,当湿度从11%RH变化到95%RH时,该C/Si异质结的电容从～1000pF增加到～3000pF,并且结电容的变化随着湿度的改变呈现着较好的线性关系。研究表明,该C/Si异质结可作为湿度传感器材料。论文的第二部分是用磁控溅射方法制备了纳米碳薄膜和纳米掺钯碳(Pd x C1-x)复合薄膜,并研究了其电学性质。结果表明:掺钯碳膜中含有更高的sp2杂化的碳原子,即在沉积薄膜的过程中,钯诱导sp2杂化的碳结构的形成。并且,掺钯碳薄膜的电阻值比纯碳薄膜下降了3个数量级,即薄膜中掺杂钯显著地提高了薄膜的电导率。还研究了纳米钯碳复合薄膜/硅(Pd x C1-x/Si)异质结对氢气的敏感特性,结果显示PdxC1-x/Si异质结对氢气的敏感度随着纳米掺钯碳薄膜中钯含量x的增加而上升。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-21
  1.1 非晶薄膜材料概述  9-15
    1.1.1 非晶薄膜概况  9-11
    1.1.2 非晶碳膜的结构模型  11-13
    1.1.3 制备非晶薄膜的常用方法  13-15
  1.2 气敏传感器材料简介  15-17
  1.3 课题的研究背景和意义  17-20
  1.4 本论文的工作内容  20-21
第二章 样品的制备与表征方法  21-28
  2.1 非晶碳膜的制备原理  21-22
  2.2 样品的制备过程  22-23
  2.3 常用的样品表征方法  23-26
    2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）  23
    2.3.2 原子力显微镜（AFM）  23-24
    2.3.3 拉曼光谱（Raman）  24-25
    2.3.4 X射线光电子能谱（XPS）  25
    2.3.5 X射线能谱仪（EDS）  25-26
  2.4 样品电学性能的测量方法  26-27
  2.5 气体敏感性的测量方法  27-28
第三章 非晶碳膜的气体敏感特性  28-49
  3.1 基于非晶碳膜/硅异质结电容变化的氨气敏感特性研究  28-35
    3.1.1 氨气敏感材料的研究现状及其应用前景  28-29
    3.1.2 样品准备及实验方法  29
    3.1.3 具有氨气敏感特性的薄膜的表征与结构  29-31
    3.1.4 氨气对C/Si异质结电输运特性的影响  31-33
    3.1.5 氨气气敏探测机理解释  33-35
  3.2 碳纳米尖阵列/硅异质结对酒精的敏感特性  35-42
    3.2.1 酒精气敏传感器的研究现状与应用前景  35-36
    3.2.2 样品制备及实验方法  36
    3.2.3 结果与讨论  36-42
  3.3 碳纳米薄膜/硅异质结的湿度敏感特性研究  42-48
    3.3.1 湿度敏感材料的研究现状及其应用前景  42-43
    3.3.2 样品制备与实验方法  43-44
    3.3.3 实验结果与讨论  44-48
  3.4 本章小结  48-49
第四章 掺钯碳膜/硅异质结的电输运性质及氢气敏感性  49-56
  4.1 引言  49-50
  4.2 样品准备与实验方法  50
  4.3 结构与表征  50-53
  4.4 电学性质及对氢气的敏感性  53-55
  4.5 本章小结  55-56
结论  56-58
参考文献  58-68
在学期间的研究成果  68-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 智能材料
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