原位实时表征纳米材料气相生长速率的集成谐振微悬臂梁传感器研究

As the basis of nanomaterials research, the growth mechanism of nanomaterials has always been the focus of research. Among them, the growth rate under different environmental conditions is an important kinetic parameter to study the vapor growth mechanism of nanomaterials and optimize the growth quality of nanomaterials. This project is aiming to develop a microcantilever-based sensor that can acquire the in-situ growth rate of nanomaterials during the growing process. Through integrating of controllable self-heating region and totally insulated piezo-resistors onto the resonant microcantilever, the integrated sensor can work in the environment of nanomaterials growing. The cantilevers are fabricated with high consistency by means of an IC compatible batch manufacturing technology. Combined with the virtual instrument technology, the integrated resonant microcantilever sensors which can accurately measure pg-level mass changes under various ambient atmospheres are realized. Taking the in-situ growth of CuO nanowires without catalyst as an example, the real-time growth rate of the nanowires at different temperatures and O2 concentrations are obtained with the fabricated sensor. The characterization results will verify the effectiveness of the sensor and provide an efficient tool for the study of the growth mechanism of nanomaterials.

作为纳米材料研究的基础，纳米材料的生长机理一直是研究热点。其中，不同环境条件下的生长速率则是研究纳米材料气相生长机理以及优化调控纳米材料生长质量的一个重要动力学参数。本项目拟针对纳米材料气相生长机理和调控的研究，开发可在生长过程中原位实时获取纳米材料生长速率的传感器。通过在微悬臂梁上形成可控自加热区域、压阻包裹全绝缘等方法，使集成微悬臂梁可以在纳米材料生长环境下工作；利用与IC兼容的批量加工制造技术高一致性制备微悬臂梁；最后结合虚拟仪器技术，形成可以在各种环境气氛下精确测量pg级质量变化的集成谐振式微悬臂梁传感器。以CuO纳米线的无催化剂气相生长为例，通过该传感器获得不同温度、O2浓度条件下纳米线的实时生长速率，验证该传感工具的有效性，从而为纳米材料生长机理的研究提供集成化的高效新工具。

作为纳米材料研究的基础，纳米材料的生长机理一直是研究热点。其中，不同环境条件下的生长速率则是研究纳米材料气相生长机理以及优化调控纳米材料生长质量的一个重要动力学参数。本项目针对纳米材料气相生长机理和调控的研究，开发可在生长过程中原位实时获取纳米材料生长速率的传感器。通过在微悬臂梁上形成可控自加热区域、压阻包裹全绝缘等方法，使集成微悬臂梁可以在纳米材料生长环境下工作；利用与IC兼容的批量加工制造技术高一致性制备微悬臂梁；最后结合虚拟仪器技术，形成可以在各种环境气氛下精确测量pg级质量变化的集成谐振式微悬臂梁传感器。以多种材料的气相生长为例，通过该传感器获得实时生长速率，验证该传感工具的有效性，从而为纳米材料生长机理的研究提供集成化的高效新工具。另外，本项目还将该集成谐振式悬臂梁芯片用于材料的热分析，提出了一种具有皮克量级质量分辨率的微悬臂梁热重分析（MR-TGA）技术，并在该技术的基础上提出了一种全新的同步热重-拉曼（MRTGA-Raman）表征技术，为材料生长机理的构效关联表征提供了一个新的途径。