ZnO基复合纳米材料的设计、合成及其在生化传感中的应用

发布时间：2020-07-12 09:14

【摘要】：ZnO纳米材料是面向21世纪的半导体材料,由于ZnO纳米材料具有高的比表面、高的电子迁移速率、良好的化学性质和热稳定性等优良特性,且制备工艺简单、成本低廉,因此被广泛用于气体传感、催化研究、能源及光电材料等科研领域。通过科研人员的不断努力,半导体气体传感器在灵敏度、选择性等方面取得了长足的进步,使气体传感在有毒、有害及危险气体检测和控制等方面得到广泛应用。但目前市场上出售的ZnO气体传感器任然存在灵敏度低、稳定性差使用寿命短等诸多问题,这就促使我们设计并制作一种高灵敏、高稳定、选择性好、响应时间短且成本更低的高效新型ZnO生化传感器。为成功制造这种新型高效ZnO生化传感器,本研究主要从ZnO纳米材料设计与制备、微电子机械系统(MEMS)半导体制造工艺及材料与器件结合三方面考虑设计并制造一种新型的高效旁热式ZnO微气体生化传感器。首先,本论文从ZnO的尺寸控制方面考虑,设计一种复合纳米材料;具体如下:(1)采用水热反应合成法制备直径在90nm左右的ZnO纳米线结构,掌握其生长原理并探索其生长规律;通过SEM、TEM、XRD等仪器设备对其形貌观察及组成成份进行系列表征和分析;(2)在第一次合成的ZnO纳米线的基础上重新固定晶种,采用二次水热反应合成枝杈型复合ZnO纳米材料方法探究及规律研究,借助SEM等设备进行表征和分析;其次,根据MEMS制造工艺的特点,巧妙地设计一种旁热式气体微传感器及其制造方法。本文所述旁热式气体微传感器采用旁热式结构,减小了敏感材料所在区域绝缘层漏电对测试信号的干扰,在悬空的传感器结构表面的敏感电极区域使用分子气相沉积设备沉积5nm厚度的十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS-17)形成图形化的疏水疏油层,从而实现了敏感材料在敏感电极区域的简单自对准功能。最终实现旁热式气体微传感器的主体直径为300μm的圆,支撑梁的长为150μm,宽为20μm,叉指电极的宽及间距均为为3μm。最后,让复合的ZnO纳米材料和旁热式气体微传感器结合形成新型的高效旁热式ZnO微气体生化传感器。利用原位生长技术在旁热式微气体传感器敏感电极区域水热生长ZnO纳米线,通过再次固定晶种和二次水热生长实现ZnO枝杈型复合纳米材料在特定位置的生长,并对其进行表征。使用制备的旁热式ZnO微气体传感器对不同气体进行测试,由于ZnO纳米线的尺寸效应,表现出对H_2S气体表现出响应速度快、高灵敏、高稳定和可重复性测试,测试下限为5ppb。利用在线质谱等设备近一步研究发现传感气敏机理,由于H_2S为易燃危化品且对人体有很大的伤害,因此该课题的研究具有较强的理论指导意义和很高的实用价值.
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TP212

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本文编号：2751739