新型硅基有序纳米尺寸多孔硅复合结构气敏传感器研究

Nano-gas sensor has become a new research focus and tendency in the field of high performance gas sensors. This project is proposed to form high-performance silicon-based gas sensors of low-dimensional nano-composite structures on ordered nano-size porous silicon which operated at room temperature. Theoretical and experimental studies will be conducted as following: gas detection mechanisms and inherent laws of silicon-based gas sensors with low-dimensional nano-composite structures on ordered nano-size porous silicon; theoretical calculations and performance simulations of micro-structure, the key technologies of the preparations and descriptions of gas sensing properties; the architectures and gas sensing properties of gas sensors with low-dimensional nano-composite structures; the stability of nano-composite structural gas sensors. The necessity of this project is to change the present research status that it's difficult to evenly form nano-composite structures on the pore wall surface of porous silicon due to the disorder channel of meso-porous silicon. At the same time, the research will break the bottleneck that it's hardly form silicon-based porous silicon with highly ordered array holes and high porosity in size of tens to one hundred nanometers. Additionally, key technologies will be studied to form new type silicon-based gas sensors with low-dimensional nano-composite structures based on ordered nano-size porous silicon. What's more, it is an innovation in controlling nano-composite structures evenly on ordered nano-size porous silicon and improving gas sensing properties as the result of nanosynergies for nano-composite structures, as well as building mechanisms and key technologies of low-power gas sensors .

纳米气敏传感器是新一代高性能传感器领域发展趋势和研究重点。提出一种以硅基有序纳米尺寸多孔硅复合低维纳米气敏材料构建室温响应高性能气敏传感器的研究。研究内容：硅基有序纳米尺寸多孔硅复合低维纳米敏感材料系统气体探测机制及内在规律；硅基有序纳米尺寸多孔硅微结构理论设计计算及性能模拟、实验制备关键技术与气敏特性表征方法；硅基有序纳米尺寸多孔硅复合低维纳米气敏材料气敏传感器的构筑及性能；复合结构气敏传感器稳定性。研究的必要性在于改变目前硅基多孔硅气敏传感器多基于孔道无序的介孔尺寸多孔硅，难于在孔壁表面均匀形成有效纳米复合以提高器件性能的现状；突破尺寸在几十至一百纳米、高度有序排列且具高孔隙率的硅基多孔硅研究瓶颈；解决硅基有序纳米尺寸多孔硅复合结构气敏传感器关键技术。在低维纳米气敏材料在硅基有序纳米多孔硅中可控复合、纳米协同效应在增强和调制气敏传感器性能、硅基低功耗气敏传感器的机理和关键技术上创新。

国家自然科学基金项目“新型硅基纳米尺寸有序多孔硅复合结构气敏传感器研究”（61271070），研究目标为实现一种室温响应的高性能纳米硅基有序多孔硅/低维纳米气敏材料复合结构新型气敏传感器。研究意义基于有毒有害气体的环境监测对新型高性能气敏传感器的迫切需求、纳米气敏传感器在研究发展中的独特重要地位和发展趋势，通过有序硅基多孔硅与低维纳米金属氧化物复合构建室温探测且性能优良的气敏传感器，不仅从材料层面上解决了硅基集成微纳传感器研究中的关键问题，且对解决多效应复合传感体系中纳米协同效应增强和调制气体探测性能中的作用本质进行理论探索。.研究主要内容包括硅基有序纳米多孔硅复合低维纳米敏感材料系统气体探测机制；硅基有序纳米多孔硅微结构设计及制备关键技术；硅基有序纳米多孔硅复合低维纳米气敏材料气敏传感器的构筑及性能；复合结构气敏传感器的修饰改性，提高选择性和稳定性的研究。取得的主要研究成果为：获得了制备有序纳米多孔硅的关键技术，其微观形貌与影响因素的对应规律发现，使得硅基有序多孔硅装载低维纳米功能材料成为可能，奠定了实现高性能新型纳米复合结构气敏传感器的基础；研究获得了低维纳米气敏材料在有序纳米多孔硅中可控生长复合的多种物理化学方法，从关键技术和原理方面突破了在多孔硅表面原位生长形成纳米复合结构研究中问题的难点；得到了有序纳米多孔硅担载低维纳米敏感材料复合结构与气敏特性的关联及调制原理；纳米协同效应在增强和调制气敏探测性能中的作用本质。 . 研究获得在室温下探测NO2、NH3、乙醇等气体的高灵敏度快速响应的硅基多孔硅/纳米金属氧化物复合结构气敏传感器。项目研究利用纳米科学与技术、材料科学、微纳电子等学科理论进行新一代纳米气敏传感器的应用基础研究，是对实现微型化、集成化、多功能化、低功耗新一代高性能气敏传感器目标的积极探索，具有重要的现实意义和科学意义。