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基于石墨烯-金属接触结构的气体传感器制备及其特性研究

朱小虎  
【摘要】:石墨烯因其优异的电学性能和材料性能被广泛应用于气体传感器中。通过构建石墨烯异质结来改善石墨烯气敏性能已经被证明是一种有效的方法。最新的实验研究表明石墨烯-镍(G/Ni)接触结构对氨气的检测效果明显优于纯石墨烯,而导致这种结果的原因在于石墨烯与金属镍形成了较强的化学键从而影响了石墨烯对氨气的吸附。但是大多数金属与石墨烯接触只能形成物理接触结构。这些物理接触结构对石墨烯的气体吸附是否有影响以及如何产生影响,当前并没有答案。因此,基于石墨烯-金属(G/M)接触结构对石墨烯气体吸附行为的影响是一个值得深入探讨和研究的问题。本论文针对上述提到的问题,选择与石墨烯发生物理接触的金属构建G/M接触结构气体传感器来探究其气敏特性。首先通过理论推导构建石墨烯吸附气体与G/M接触结构电阻率变化这两者之间的函数关系,然后设计并制备基于G/M接触结构的气体传感器,最后对其气敏特性进行研究。通过理论计算和对相应器件的实际测试,分别得出了理想和实际情况下的石墨烯-金属接触结构的气体吸附特性和气敏特性,为石墨烯气体传感器的发展提供了的理论支撑。具体研究内容和工作如下:1、G/M接触结构气体吸附特性的理论计算。选择Au、Ag、Al、Cu、Pt五种金属与石墨烯接触构建石墨烯-金属物理接触结构。基于石墨烯与金属接触的理论,将气体吸附引入到接触结构电阻率的计算中,并将气体吸附引起的载流子浓度变化作为输入变量,构建了石墨烯-金属接触结构的电阻率与石墨烯载流子浓度变化量之间的函数关系。通过理论计算,研究Au、Ag、Al等五种石墨烯-金属接触结构对不同类型气体的吸附特性。结果表明:(1)当G/Au和G/Pt接触结构吸附N型气体时,在电阻率变化曲线上出现吸附峰;当吸附P型气体时,接触结构的电阻率单调下降,其中G/Au的电阻率变化大于G/Pt;(2)G/Cu、G/Ag、G/Al接触结构的气体吸附特性刚好和G/Au、G/Pt接触结构相反,即吸附N型气体时接触结构的电阻率单调下降,而吸附P型气体时在电阻率变化曲线上出现吸附峰;(3)接触结构的吸附峰位置由石墨烯与金属之间的费米能差决定。2、设计并制备基于G/M接触结构的气体传感器依据理论计算的器件模型,设计并制备用于气敏测试的基于G/M接触结构的气体传感器的器件结构。这种G/M接触结构器件的特点包括:(1)由石墨烯直接覆盖在金属电极表面构成接触结构,操作简单;(2)石墨烯裸露在接触结构的上表面作为吸附气体的载体;(3)为了凸显接触结构的吸附作用,并减少沟道电阻的影响,利用金属薄膜将沟道石墨烯直接覆盖掉。然后,根据器件结构特点,确定器件制备工艺流程,设计光刻掩膜版。选择Au、Ag、Pt这三种金属作为电极材料,利用光刻、磁控溅射镀膜、等离子体刻蚀等MEMS加工技术和石墨烯湿法刻蚀转移技术制备了基于G/M接触结构的气体传感器的器件。其中,石墨烯选用的是以铜基化学气相沉积法制备的单层石墨烯。通过对制备流程中各个工艺实验参数的反复摸索,器件的制备成功率达到90%以上。3、基于G/M接触结构的气体传感器的气敏特性测试。选择氨气作为测试气体,分别用氨水和高纯氨气作为气源,对所制备的器件进行气敏测试。实验结果表明:(1)基于G/Au这种接触结构的器件在湿润氨气环境下电阻平均响应峰值比干燥氨气环境下高10%-15%;(2)石墨烯-金属接触器件在湿润氮气环境中的恢复特性和重复特性优于干燥氨气环境;(3)在湿润氨气环境中G/Au接触结构电阻的平均响应峰值高于G/Ag、G/Pt接触结构,而在干燥氨气环境下,G/Ag接触结构电阻的平均响应峰值高于G/Au、G/Pt接触结构。


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