纳米线双电层晶体管及其气体传感应用研究

Electric-double-layer electrostatic modulation can be used to effectively tune the carrier concentration of a semiconductor, resulting in the observation of novel physical/chemical phenomena. At the same time, the electrical properties of semiconductor nanowires are very sensitive to surface adsorption/desorption conditions due to their high surface-to-volume ratio. In this project, we will investigate the gas sensing properties of ZnO and SnO2 nanowires by using SiO2 electrolyte dielectrics on the basis of the large specific capacitance and lateral coupling characteristics of electric-double-layer electrostatic modulation. At first, we will fabricate nanowire electrical-double-layer transistors by using microfabrication technology and investigate their ON current, threshold voltage and sub-threshold swing characteristics in response to the change of gas concentrations. Secondly, we will fabricate nanowire transistors which have several gates and investigate the multi-gate sensing properties of the nanowires based on the weight difference of these gates by using pattern recognition. The present project will facilitate the application of nanowire electrical-double-layer transistors in high-performance gas sensing.

双电层静电调控能有效调节半导体中的载流子浓度，从而观察到新的物理/化学现象。同时，半导体纳米线具有比表面积大的特点，其电学性质对表面吸附/脱附很敏感。本项目基于双电层静电调控研究纳米线晶体管的传感特性，利用SiO2电解质离子栅介质电容大和能实现侧向耦合等特点，研究大电容和多栅极调控下ZnO和SnO2纳米线的气体传感性能。首先，我们拟用微加工工艺制备纳米线双电层晶体管，研究双电层大电容调控下其工作电流、阈值电压和亚阈值摆幅等随气体浓度变化的规律。其次，我们将研制具有多个栅电极的纳米线晶体管传感器，利用这些栅极对纳米线进行调控时的权重不同，用模式识别等方法研究多栅极调控下纳米线的传感性能。本项目的开展对促进纳米线双电层晶体管在超敏感探测等方面的应用具有重要价值。

随着人们对生活和工作环境的安全性和要求越来越高，传感器的应用越来越广泛。在物联网等各种使用中，对传感器的要求是微型化、灵敏度高、选择性好、成本低、功耗低等。纳米材料比表面积大，其电学性质对表面吸附很敏感，环境因素改变时会迅速引起其表面、界面离子、电子输运情况的变化。在提高传感器灵敏度，使元件微型化和提高集成度等方面，纳米线晶体管具有重要应用前景。本项目利用双电层静电调控研究纳米线晶体管的传感特性，在电场作用下纳米线与离子栅介质界面处产生Helmholtz双电层，从而使得离子电解质材料如离子液、离子胶等，电容可以达到1μF/cm2以上，用它们作为栅介质材料可制备双电层晶体管。利用双电层效应可有效调控沟道中的载流子，降低工作电压并导致一些新现象出现。引入双电层静电调控，可实现大电容调制和多侧栅耦合等，提升纳米线晶体管的传感性能。本项目我们研究了几种双电层材料的特性并制备了单臂碳纳米管晶体管和平面微晶硅纳米线晶体管等。我们研制了由氧化石墨烯和壳聚糖复合材料构成的复合离子栅介质，发现这种复合栅介质材料具有电容大，稳定性好的特点。利用这种栅介质我们制备了双电层晶体管，研究了器件的多栅极工作特性和两端工作特征。在多栅极调控模式下，每个栅电极都可以通过双电层离子栅介质，对晶体管的沟道进行调控，这些栅电极对晶体管的沟道进行调制的权重不同，它们之间存在耦合，由此我们获得了一些独特的电学工作特性。我们用喷墨打印的方法制备了单臂碳纳米管双电层晶体管，并研究了晶体管的工作特性和潜在应用。我们研究了器件的多栅工作特性，特别是滤波等传感特性。我们研究一种控制纳米线在衬底的平面内进行生长的方法，并制备了性能优异的由纳米线薄膜构成沟道的晶体管器件。我们研究了晶体管的电学和传感特性，器件的工作性能优越。我们的研究表明，将纳米技术和双电层离子栅材料结合起来应用于传感器研究，在提高灵敏度，使元件微型化和提高集成度等方面具有独特优势。