碳纳米管内壁敏感式气体传感器的研究

碳纳米管（CNT）的管壁具有比表面积大、强度高、结构有序和电学敏感等优异性质，是制备气体传感器的理想材料之一。但是，气体在传感器表面具有粘滞和吸附的特性，已有研究的CNT外壁敏感式气体传感器存在难以使被测气体分子高效地接触到CNT外壁敏感表面的问题。本项目旨在采用化学气相沉积法（CVD）直接生长单壁碳纳米管（SWCNT）定向阵列和在氧化铝模板孔道里CVD生长多壁碳纳米管（MWCNT）定向阵列，通过刻蚀和氧化的方法打开CNT两端的管口，使被测气体分子通过CNT内管，依据内管管径尺度与气体分子平均自由程接近，被测气体分子能够与内壁充分接触的特性，实现超灵敏性气体检测[对化学神经类毒气沙林的类似物甲基膦酸二甲酯（DMMP）的检测浓度达到一万亿分之一（ppt）量级]。研究CNT内壁的传感机理，优化传感结构和制作技术，建立CNT内壁超灵敏性纳米传感器的知识和技术基础。

碳纳米管（CNTs）的管壁具有比表面积大、强度高、结构有序和电学敏感等优异性质，是制备气体传感器的理想材料之一。但是，气体在传感器表面具有粘滞和吸附的特性，已有研究的CNTs 外壁敏感式气体传感器存在难以使被测气体分子高效地接触到CNTs 外壁敏感表面的问题。本项目旨在采用化学气相沉积法（CVD）直接生长单壁碳纳米管（SWCNTs）定向阵列和在氧化铝模板孔道里CVD 生长多壁碳纳米管（MWCNTs）定向阵列，通过刻蚀和氧化的方法打开CNTs 两端的管口，使被测气体分子通过CNTs 内管，依据内管管径尺度与气体分子平均自由程接近，被测气体分子能够与内壁充分接触的特性，实现对化学神经类毒气沙林的类似物甲基膦酸二甲酯（DMMP）超灵敏性气体检测，最低检测浓度达到40 ppt。研究结果表明：这两种内壁式碳纳米管气体传感器使对DMMP的检测浓度提高到了ppt量级，其中对于多壁碳纳米管内壁气体传感器，对DMMP的最低检测浓度为200 ppt，响应时间小于2 min，电阻变化率为3.5%。对于单壁碳纳米管内壁气体传感器，对DMMP的最低检测浓度为40 ppt，响应时间小于2 min，电阻变化率为1.8%。如此高灵敏的纳米传感器将在众多领域中得到广泛应用。初步掌握了制备纳米气体传感器件的关键技术（如：倾斜样品溅射制备电极技术等），分析了碳纳米管内壁传感器的工作机理，优化传感结构和制作技术，为高灵敏度碳纳米管内壁纳米气体传感器初步建立了知识和技术基础，可以为其从材料到器件、从器件到系统等诸多实际问题提供指导性的建议。