表面修饰非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结的电学性能和非极性气体敏感特性

It is very important to study new gas-sensitivity materials for safety, medicine and health, environmental monitoring and protection, and so on. In this study, we will study electric properties and non-polar gas sensitivity of modified amorphous carbon film/SiO2/Si heterojunctions. The effect of the gas (H2 and CO2) concentrations on the carrier density of the modified carbon films, the capacitance, current-voltage properties of the modified amorphous carbon film/SiO2/Si heterojunctions will be studied. Using TEM, XPS, the relations between the microstructures and the gas sensitivity of the modified amorphous carbon film/SiO2/Si heterojunctions will be studied. It has been demonstrated that an extra-high sensitivity (16000%) of the modified amorphous carbon film/SiO2/Si heterojunction to 4% H2 can be reached. This study can open a new road for producing non-polar gas sensors by using modified amorphous carbon film/SiO2/Si heterojunctions.

新型气体探测材料的研究对安全、医药卫生、环境监测与保护等领域具有重要的应用价值和深远的科学意义。本项目研究表面修饰非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结的电学性能和非极性气体敏感特性。主要包括：研究氢气（二氧化碳）对表面修饰的非晶碳膜的电流-电压特性、载流子类型、载流子浓度等电学性能的影响规律及机理。研究氢气（二氧化碳）对表面修饰的非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结电学性能的影响规律。利用半导体理论和固体能带理论等建立理论模型，给出表面修饰的非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结的非极性气体敏感机理。初步实验表明：钯修饰的非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结对4%氢气的灵敏度达到了16000%，具有很好的应用前景。目前，国内外还鲜有研究人员利用表面修饰非晶碳膜/二氧化硅/硅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表面修饰非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结的电学性能制备非极性气体传感器的新途径。

新型气体探测材料的研究对安全、医药卫生、环境监测与保护等领域具有重要的应用价值和深远的科学意义。本项目研究表面修饰碳膜/二氧化硅/硅异质结的电学性能和非极性气体敏感特性。. 我们制备了钯表面修饰的钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结，系统研究了钯表面修饰的钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/n-硅和钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/ p-硅两种异质结的氢气敏感特性，利用能带理论和半导体理论揭示了钯表面修饰的钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/硅异质结的氢气敏感机理。两种异质结的电流-电压特性对氢气都非常敏感：钯表面修饰的钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/n-硅和钯表面修饰的钯掺杂非晶碳膜/二氧化硅/p-硅两种异质结对0.1%、1%和1.6%氢气的灵敏度分别为210%（185%）、5030%（560%）和13100%（840%)。. 我们制备了钯修饰的石墨烯基碳基薄膜并研究了其氢气敏感性。随后，我们使用抽滤转印法制备了钯修饰的石墨烯基碳膜/二氧化硅/n-硅和钯掺杂石墨烯基碳膜/二氧化硅/p-硅两种异质结。其中，基于钯修饰的石墨烯基碳膜/二氧化硅/p-硅异质结的氢气传感器室温下对100ppm氢气的响应约为94%，而对1%氢气的响应接近2000%。基于p-n结理论，我们提出了相应的气体敏感机理：由于氢气气体分子在钯修饰的石墨烯基碳膜表面的吸附升高了石墨烯基碳膜和p型硅之间的界面势垒使得通过该异质结的电流在反向偏压下产生了大幅度的变化。. 我们制备了聚乙烯亚胺修饰的石墨烯纳米带基碳膜/二氧化硅/硅异质结二氧化碳气体传感器。实验结果表明，在室温下空气气氛中该传感器对1%二氧化碳的灵敏度为5%，并且具有较短的响应（30s）和恢复时间（70s）。利用能带理论和半导体理论揭示了聚乙烯亚胺修饰的石墨烯纳米带基碳膜/二氧化硅/硅异质结的二氧化碳气体敏感机理。. 目前，国内外还鲜有研究人员利用表面修饰碳膜/二氧化硅/硅异质结开发气体传感器，本项目提供了利用表面修饰碳膜/二氧化硅/硅异质结的电学性能制备非极性气体传感器的新途径。