碳化硅纳米线表面功能化改性及其气敏传感器的研究

SiC晶体是第三代宽带隙半导体材料，具有耐高温、抗氧化、抗辐射等优异的理化性能；SiC气敏传感器的发展需要实现新的技术突破。另一方面，SiC纳米线是SiC晶体极端各向异性生长的产物，兼有一维纳米材料和SiC晶体两方面的优势；拓展SiC纳米线在新领域的应用是其重要发展方向。.本项目结合SiC纳米线和SiC气敏传感器两方面的发展趋势，提出采用SiC纳米线来制备气敏传感器的思路（未见相关报道）：拟在成功制备超长SiC纳米线的前期研究基础上，在纳米线表面依次进行绝缘层制备和Pd、Pt等催化剂纳米粒子修饰，并进一步组装为场效应晶体管型气敏传感器；通过研究传感器的气敏性能，揭示SiC纳米线传感器的气敏响应机理以及纳米效应对其气敏性的影响。本项目的实施对于探索纳米材料的性能变化规律具有重要的科学意义，对其它纳米器件的研制具有借鉴意义，研究成果将在燃烧工程、环境检测、空天探测、军事装备等领域获得重要应用。

以纳米材料作为传感单元获得高灵敏度、高选择性、快速响应的新型高性能气敏传感器是纳米材料的一个重要的研究和应用热点。碳化硅（SiC）纳米线作为一种宽带隙半导体材料，既具有SiC材料本身所具备的如耐高温、耐腐蚀等优异性能，同时作为一维纳米材料而拥有了新的特性，尤其在高温苛刻环境的湿度检测中具备优势。.本课题在SiC纳米线制备研究的基础上，对SiC纳米线的湿敏传感特性和机理进行了深入研究，得到了包括SiC纳米线湿敏传感器、传感特性、传感机理和直立生长于SiC微球表面的多层石墨烯在内的研究成果。.SiC纳米线湿敏传感器是一种高灵敏度快速响应湿敏传感器。该湿敏传感器的电阻随着环境湿度的增高而线性增高，通过湿度可调湿敏测试系统测得其在相对湿度为30%、41%、43%、53%和65%的测试环境中的灵敏度分别为13.3%、22.02%、25.64%、34.86%和47.43%。其最快响应和恢复时间分别为0.8秒和5.6秒。由SiC纳米线场效应管的研究确定碳化硅纳米纸是一种p型半导体。SiC纳米线表面化学结构为以氧化硅为主的SiCNO网络状无定形薄层结构。以上述两点为基础，结合对于氧化硅表面水分子的吸附研究，认为SiC纳米线的湿敏传感机理为水分子吸附在表面，与Si-OH生成网络状的氢键结构，导致水分子中的电子向SiC纳米线移动，减低了碳化硅纳米纸中的p型载流子浓度，使得SiC纳米线出现电阻上升。SiC湿敏传感器是一种高灵敏度快速响应的湿敏传感器，其制备工艺简单，在苛刻环境下具有潜在应用价值。.对SiC纳米线生长机理的研究发现了在硅片、石墨片表面低分子量聚硅烷的裂解产物为直立生长于碳化硅多晶微球表面的沙漠玫瑰石形石墨烯（DRG）。DRG由实心碳化硅多晶微球和微球表面的沙漠玫瑰石形石墨烯两部分构成。大部分石墨烯直立生长于碳化硅微球的表面，其平均长度约为100 nm。碳化硅多晶微球平均直径约为0.9 μm，为实心结构，含有石墨微晶、β-SiC微晶（微晶平均尺寸约为3 nm）和无定形物质，其中β-SiC微晶主要位于球体内部，而石墨微晶则集中在靠近球体表面的部位。制备DRG所使用的陶瓷先驱体裂解法是一种全新的制备直立生长石墨烯的方法，其科学意义重大，结构独特的DRG可在新能源材料、高性能催化剂等领域获得广泛应用。