硅基微结构/掺杂氧化物薄膜二元协同复合体系的构筑和气敏性能研究

We will propose this research on fabrication and gas sensing properties of the synergistic system of silicon nanostructure/doped oxide composites film. First, the ordered silicon nanopillar will be prepared by nanosphere lithography. Then, the doped metal oxide semiconductor SnO2 film will be deposited on this nanopillar substrate by reactive magnetron sputtering. The material properties, such as the component, structure, size and morphology will be characterized by XRD、SEM、TEM and XPS. The gas sensing properties will be controlled by optimizing the etching parameter and the component of metal oxide semiconductor. By studying the effects on the gas sensing properties with the composite sensitive material structure, chemical components and surface/interface states, the sensitive mechanism will be investigated. Here, the first-principles calculation of the energy band structure and the electronic density of states will be applied. The relationship between the microscopic structure and macroscopic properties of the gas sensing material will be showed. The experimental and theoretical basis of the silicon-based integrated, low-power and high-performance gas sensor will be established.

为了揭示硅基微结构/掺杂氧化物薄膜二元协同复合体系气敏材料的敏感机理，提高敏感材料对易燃、易爆和有害气体的选择性、灵敏度及器件的长期稳定性等气敏性能，同时满足新一代纳米传感器体积小、功耗低、性能优等方面的要求，本项目拟采用纳米胶体球刻蚀技术制备有序纳米硅柱微结构，再利用磁控溅射技术在此结构上淀积掺杂金属氧化物二氧化锡薄膜来形成复合气敏材料，通过纳米胶体球刻蚀参数和磁控溅射参数的优化以及掺杂氧化物组分的调整来控制气敏性能。采用XRD、SEM、TEM、XPS等方法测定复合结构气敏材料的成分、结构、尺寸及形貌等材料性质，通过研究复合结构气敏材料的微观结构、化学组分及两者之间表面界面状态对气敏性能的影响，利用第一性原理计算能带结构和电子态密度，深入探究复合结构材料的敏感机理，揭示气敏材料的微观性质与宏观性质之间的关系，为进一步实现硅基集成的低功耗高性能微纳气敏传感器奠定实验与理论基础。

本项目采用胶体晶体刻蚀和磁控溅射两步相结合的方法制备了有序可控纳米硅柱（Si-NPA）和金属半导体氧化物氧化锡SnO2纳米薄膜形成的二元协同复合结构体系气敏传感器，通过优化材料制备工艺，研究其微观结构，灵敏度，响应恢复时间以及稳定性等问题，揭示材料结构和气敏性能之间的关系，阐明材料敏感机理。实验结果表明：这种复合结构，一方面增大了纳米薄膜与接触气体的表面积，可以更好的吸附气体，提高气体检测的灵敏度；另一方面，金属氧化物纳米薄膜会起到催化作用，可以改善导电沟道或提高硅柱的表面缺陷密度，扩大气体吸附量，从而使有序硅柱表现出更好的气敏特性。同时，有序纳米硅柱结构可以在室温下探测气敏性能，能够有效降低工作温度，并且还能与现代微电子工业兼容。以此结构制备的新一代纳米气敏传感器可构成高密度的异质结结构，在硅基微结构和纳米薄膜界面处形成二元协同表面/界面结构，导致其表面电子状态、导电机制以及物理化学性质的不同。利用材料整体的纳米协同效应、量子耦合效应可以很好地结合材料各自的优点，使形成的复合结构气敏传感器同时具有工作温度低、灵敏度高、选择性好、响应/恢复时间快，以及稳定性优等特点。通过此项目的研究，明确硅基微结构/纳米薄膜二元协同复合结构材料的敏感机理，揭示气敏材料的微观性质与宏观性质之间的关系，为进一步实现硅基集成的低功耗高性能微纳气敏传感器奠定实验与理论基础。