基于ZnO和ZnS纳米带光敏、压敏传感器研究

论文摘要

性能在微纳级器件方面具有潜在的应用而引起人们广泛的关注。目前,人们已经制备出了如纳米纤维、纳米带、纳米线和纳米棒等多种纳米结构,并发现它们具有如量子尺寸效应、表面效应和介电限域效应等新奇特性。ZnO和ZnS纳米材料是直接带隙半导体,均为六角纤锌矿结构,室温下的禁带宽度分别为3.37和3.68eV。由于尺寸效应和表面效应,ZnO和ZnS纳米材料具有某些独特的性能,如良好的光电、压敏等性能成为近年来的研究热点。本文介绍了制备ZnO单根纳米带光敏传感器及ZnO/ZnS纳米带膜的压敏传感器。在不同光照条件下测试了ZnO单根纳米带光敏传感器的伏安特性及其响应;在大气和不同的真空压强氛围下测试了基于ZnO/ZnS纳米带膜的压敏传感器的伏安特性;结合能带示意图,用氧吸附与解吸附理论对它们的实验机理进行了合理的解释。本文的主要内容包括以下几个方面:（1）采用磁控溅射和光刻的方法在SiO2/Si基底上制作Pt叉指电极,通过调节分散液的浓度并利用探针技术将单根ZnO纳米带组装在了叉指电极上,做成光敏传感器。用半导体参数测试仪及示波器测试了光敏传感器的伏安特性及响应,结果表明:在黑暗状态下,光敏传感器的关断性能较好;在波长范围为280340nm的紫外光照射下,波长越短,光敏传感器的光电流和灵敏度越大。在紫外光打开和关闭交替变换时,光敏传感器实现了对电路状态“0”和“1”转换的控制。（2）将含有ZnO和ZnS纳米带的丙酮溶液旋涂在制备好的电极上组装出ZnO和ZnS带膜的真空压强敏感器件（压敏传感器）。用安捷伦4156C半导体参数测试仪测量这两种压敏传感器的伏安特性。结果表明:两种压敏传感器在黑暗条件下都处于高阻状态,随着大气压强的减小,传感器的电流增大。由伏安特性曲线得到的R-P曲线呈线性变化,可以根据电阻值的大小来判断传感器所处环境压强的大小。压敏传感器的测试范围从高真空到大气压强范围内。（3）利用光电导效应和表体比结合氧吸附与解吸附理论对ZnO单根纳米带光敏传感器的伏安特性及响应的变化规律进行了合理的解释。利用表体比和长的传输路径结合氧吸附与解吸附理论对基于ZnO和ZnS纳米带膜的压敏传感器伏安特性变化规律进行了合理的解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料和纳米科技
• 1.2 一维纳米材料的基本特性
• 1.2.1 传输特性
• 1.2.2 光敏特性
• 1.2.3 压敏特性
• 1.3 一维ZnO 和ZnS 纳米材料
• 1.3.1 一维ZnO 和ZnS 纳米带的结构及性质
• 1.3.2 一维ZnO 和ZnS 纳米材料的研究进展
• 1.4 一维ZnO 和ZnS 纳米结构敏感器件
• 1.4.1 光敏器件
• 1.4.2 压敏器件
• 1.4.3 气敏器件
• 1.4.4 湿敏器件
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 ZnO 单根纳米带光敏传感器
• 2.1 ZnO 单根纳米带光敏传感器的制作
• 2.1.1 ZnO 纳米带的表征及其吸收谱测试
• 2.1.2 叉指电极的制作
• 2.1.3 溶液浓度的控制
• 2.1.4 原子力显微镜对纳米带位置的调整
• 2.2 光学与电学部分构建测试电路
• 2.2.1 测试平台的搭建
• 2.2.2 紫外光源的获取
• 2.2.3 伏安特性测试电路
• 2.2.4 光敏响应测试电路
• 2.3 光敏传感器的伏安特性和响应测试
• 2.3.1 光敏传感器的I-V 曲线
• 2.3.2 光敏传感器的V-t 曲线
• 2.4 单根纳米带光敏机理分析
• 2.4.1 表体比和传输路径
• 2.4.2 光电导效应
• 2.4.3 氧吸附与解吸附
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于ZnO 纳米带膜的压敏传感器
• 3.1 基于ZnO 纳米带膜压敏传感器的制作
• 3.1.1 ZnO 纳米带膜压敏传感器的制作
• 3.1.2 ZnO 纳米带膜压敏传感器的形貌
• 3.2 基于ZnO 纳米带膜压敏传感器的伏安特性测试
• 3.2.1 伏安特性测试平台的搭建
• 3.2.2 真空腔与分子泵
• 3.2.3 ZnO 纳米带薄膜压敏传感器的I-V 测试
• 3.3 基于ZnO 纳米带膜压敏传感器敏感特性
• 3.3.1 ZnO 纳米带薄膜压敏传感器I-V 曲线
• 3.3.2 ZnO 纳米带薄膜压敏传感器R-P 曲线
• 3.4 基于ZnO 纳米带膜压敏传感器灵敏度及功耗
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ZnS 纳米带膜的压敏传感器
• 4.1 ZnS 纳米材料的制备与表征
• 4.1.1 ZnS 纳米带的制备
• 4.1.2 ZnS 纳米带的形貌表征
• 4.1.3 ZnS 纳米带的结构表征
• 4.2 基于ZnS 纳米带膜的压敏传感器的制作
• 4.2.1 ZnS 纳米带膜压敏传感器的制作
• 4.2.2 ZnS 纳米带膜压敏传感器的形貌
• 4.3 基于ZnS 纳米带膜压敏传感器压敏特性测试
• 4.3.1 ZnS 纳米带膜压敏传感器的I-V 曲线
• 4.3.2 ZnS 纳米带薄膜压敏传感器R-P 曲线
• 4.4 ZnO/ZnS 压敏传感器的压敏特性机理解释
• 4.4.1 表体比和传输路径
• 4.4.2 氧吸附与解吸附
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文和成果