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基于悬空单壁碳纳米管阵列的压阻式柔性传感器研究

郑富中  
【摘要】:自从1991碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)被发现以来,因为其具有特殊的力学特性、电学特性和力电特性,引起了世界各国研究人员极大的关注。特别是在力学传感器方面,单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotube, SWNT)具有显著的压阻效应,如果能将其应用于压阻式力学传感器,那么力学传感器的精度与灵敏度将会大幅度提高。 在较早的研究中,基于原子力显微镜(Atomic force microscope, AFM)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)、扫描透射电镜(Scanning transmission electron microscope, STEM)等先进设备,人们利用探针方式实现了纳米尺度的SWNT与外界的电连接,开展了相应的电学、机械和力电等特性的研究,在SWNT的制备、性能表征等方面取得了一定的成果。基于SWNT的场效应晶体管、逻辑单元以及化学和生物传感器等器件均已从实验上得到了验证,并显示了比相应的传统器件更优异的性能。然而,单根SWNT器件难以在工程中得到应用,薄膜型SWNT器件由于各种手性SWNT的混杂灵敏度较低。因此,对基于SWNT的传感器,探索面向应用的新型敏感结构成为了本论文研究的重点。 本论文首先对压阻式力学传感器及SWNT的压阻效应的研究现状进行了调研,分析了SWNT在压阻式力学传感器方面的应用前景,确定了本课题的研究内容。然后针对当前的国内外研究现状,在了解SWNT结构和特性的基础上,提出并成功实现了基于应变的选择性电烧断SWNT阵列和柔性基底弯曲式介电电泳整齐排列SWNT阵列两大关键技术。同时应用了SWNT的制备、微纳加工工艺和区域选择性电沉积金属等新技术,研制出了以SWNT为敏感材料的微纳传感器件,并对其力电特性进行了初步的测试,结果表明这种制备工艺可以加工出具有高灵敏度的压阻式柔性传感器,在微纳器件的制作方面显示出了一定的应用前景。 本课题的研究重点是以SWNT为敏感材料,在带针形电极的柔性基底上实现SWNT阵列的有序排列,让悬空且具有预拉伸的SWNT阵列具有测量负应变的能力,然后通过基于应变的选择性电烧断达到提高悬空SWNT阵列压阻因子的目的。结果表明此设计方法与步骤达到了预想的目的,悬空SWNT阵列的压阻因子可以高于400,已超过了压阻因子为240的硅掺杂压阻式传感器,而且其力电曲线线性度也在95%以上。 最后,总结了研究内容、创新点和结论,并提出了进一步研究的方向和设想。


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