碲微纳材料制备及其传感器件研究

发布时间：2018-11-13 16:12

【摘要】：本文研究了半导体碲微纳材料的合成、表征以及一些传感器件的制备、测量。主要内容包括：(1)利用水热法,通过控制不同的表面活性剂,合成了碲的纳米棒和微米线以及其他形貌的碲纳米材料,并对其进行了结构表征；(2)将碲纳米棒抽滤到柔性的尼龙膜上,制备成柔性的光导传感器件,并提出一种简单的物理模型对其性能进行解释。同时成功制备了基于单根的纳米棒的光导传感器件,研究其光响应性；(3)将单根碲微米线置于聚苯乙烯基底上,用银浆在其两端封装,并引出导线,制备成柔性的压阻式应变传感器件,并分析其原理；(4)制备了基于单根碲微米线的化学传感器,研究其对湿度,水及酒精溶液的电流响应。主要取得以下研究成果： 1.通过水热法,采用不同的表面活性剂,得到了不同形貌的碲微纳材料。其中利用十二烷基磺酸钠和其反离子,得到的纳米棒尺度均一性良好,其长度从300nm到600nm,宽度为30nm到50nm。通过高倍透射电镜及选区电子衍射表征其为单晶结构。并且首次合成了超长的碲微米线,其长度最大可以达到10mm左右,宽度在微米尺度上,在其他文献中尚未报道。 2.通过将均一性良好的纳米棒抽滤至柔性的尼龙膜上,并用聚甲基丙烯酸甲酯进行封装,得到柔性的具有光导特性的复合膜,可用于曲面等非平面上进行光探测应用。由于碲的能带带隙窄,可对大多数光源均有响应。文中用白光做光源,光导膜有明显的光导响应。且响应性和碲层厚度有关。我们同时用一个较简单的物理模型对光导开关比和膜厚关系进行研究,发现光导开关比有一个最大值,之后随着膜厚的增加呈现指数下降趋势,最终趋于1。同时制备了基于单根的碲纳米棒的光导器件,研究后发现,其对光的响应性更好,响应速度更快,开关现象更明显。 3.两种基于单根超长Te微米线的柔性应变传感器件被成功制备。Te微米线被放置在PS基体上,并用银浆固定。两种传感器都表现出电流随着压应变的增加而增加,随着应变减小而减小的现象。拉应变和压应变对背靠背肖特基结的传感器件在正负电压区,是对称的。肖特基势垒在拉应变和压应变下改变。对于单端肖特基结器件,在负压区,当施加压应变时,电流的变化更加明显。对于前者,通过公式(ΔR/R)/ε计算,灵敏度系数可以达到107。对于后者,单端肖特基结应变传感器件,灵敏度系数可以达到1000左右。所以后者更加适合检测应变。另外,对单根的碲微米线,进行了压电性能测测试,有明显的电压信号和电流信号输出。成功制备的柔性的Te/PDMS复合材料压力应变传感器件也对压力响应灵敏,仅需10N的力即可将器件电阻降低三个数量级。 4.基于单根超长碲微米线的化学传感器也被制备,用其检测湿度和醇类。和基于p型半导体的化学传感器件一样,电流在酒精溶液中减小。其I-V曲线在水,乙醇,甲醇和异丙醇中因为各自供电子的能力不同而有显著区别,可以用来鉴别这几类溶液。在甲醇中的响应时间很快,电阻下降非常明显,电流下降3个数量级。这种传感器件对不同浓度的酒精溶液也具有响应,表现出不同的I-V曲线。由于碲是p型半导体,其载流子为空穴,酒精可作为空穴捕捉剂,具有供电子特性。导致碲的载流子浓度下降,使其电导率下将,电阻上升。这一机理和我们的检测结果非常一致。研究发现,其用于湿度检测,随着湿度增加,其电流减小。而对材料施加应变,其对湿度的检测灵敏度升高,分辨率升高。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.53;TP212

【共引文献】