碳纳米锥/硅异质结的电学性能与气体敏感特性

新型气体探测材料的研究对环境监测与保护、医药卫生、自动控制、安全等相关领域具有重要的应用价值和深远的科学意义。本项目研究碳纳米锥/硅异质结的电学性能和气体敏感特性。主要包括：（1）制备碳纳米锥/硅异质结，并研究气体种类（包括氨气、甲烷、酒精等）和浓度对碳纳米锥/硅异质结的电流-电压、电容、载流子浓度等电学特性的影响。（2）通过透射电子显微镜、X光电子能谱等方法研究碳纳米锥的微结构和异质结界面的微结构，并结合电学特性的测量，寻找外界气体种类和浓度与碳纳米锥/硅异质结的微结构和电学性质之间的本质联系。（3）利用碳纳米锥/硅异质结材料开发气体传感器。初步实验表明：与碳纳米锥的气体敏感特性相比，碳纳米锥/硅异质结的气体敏感特性提高了2-5个数量级，具有很好的应用前景。目前，国内外还鲜有研究人员利用纳米异质结开发气体传感器，本项目的立项和研究可以开辟利用纳米异质结的电学特性制备气体传感器的新途径。

新型气体探测材料的研究对环境监测与保护、医药卫生、自动控制、安全等相关领域具有重要的应用价值和深远的科学意义。本项目研究了碳纳米锥/硅异质结的电学性能和气体敏感特性。给出了外界气体种类和浓度与碳纳米锥/硅异质结的微结构和电学性质之间的本质联系。实验表明：碳/硅异质结具有优异的气体敏感特性，具有很好的应用前景。主要结论如下：.1. 用直流磁控溅射的方法制备了一系列碳/硅异质结，并测量氨气对该碳/硅异质结电容的影响。实验发现，氨气分子对异质结的电容特性具有显著的影响。当异质结从空气中暴露到氨气中时，异质结的表面电容迅速地上升到原电容的230%，当异质结重新回到空气中时，异质结的表面电容又迅速地恢复到初始值附近。研究结果表明，该碳/硅异质结可用于制备氨气探测器。.2.利用直流磁控溅射的方法在制备了碳纳米尖阵列/硅（CNA/Si）异质结，在室温下该CNA/Si异质结对酒精气体具有较高的敏感性。当异质结从空气转入到酒精气体中，异质结的电流-电压（I-V）和电容-频率（C-F）关系曲线都发生较大的变化。在外加电压8V下，异质结从空气中到含有0.64g/L酒精的氛围下，其电阻下降35%。外加频率5kHz下，异质结电容在酒精中的电容增加了40%。实验结果表明，该异质结对酒精气体具有良好的敏感性，快响应和可重复性。.3.制备了一系列钯/碳/硅异质结，并测量氢气对该钯/碳/硅异质结电容的影响。实验发现，氢气分子对异质结的电阻和电容特性具有显著的影响。所制备的Pd/a-C/Si异质结材料在空气与在氢气中的电阻改变接近3倍；所制备的Pd/a-C/Si异质结材料在空气与在氢气中的电容改变接近5倍。根据固体物理和半导体物理的相关理论，提出了相应的能带模型解释了上述的实验现象。研究表明：Pd/a-C/Si异质结材料在氢气探测领域有着巨大的应用前景。.4.首次观测到a-C/Si异质结具有气压敏感特性。外界气体的压强对a-C/Si异质结的I-V性质具有较大的影响，尤其对于其反向的I-V 性质。在某一恒定外加偏压下，当外界气体压强由100 Pa增加到100000 Pa，其结电阻将会增加到原来的3300 %。提出了相应的机理模型解释观测到的气压敏感特性。