以硅纳米孔柱阵列为模板制备金纳米薄膜

采用浸渍技术,分别以新鲜和老化两组硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)衬底为模板制备了不同形貌特征的Au/Si-NPA。结果表明:造成两组衬底上形成的Au/Si-NPA形貌上的巨大差异主要是由于两组Si-NPA衬底表面氧含量的分布不同所致。进一步分析发现,Si-NPA在Au/Si-NPA的形成过程中既起到了模板作用,又起到了还原的双重作用。由于Si-NPA具有规则的阵列结构,从而使得金在Si-NPA表面上的沉积速率产生选择性,最终可以形成准周期的、规则的金纳米复合薄膜。

硅纳米孔柱阵列的场致电子发射

测试了用水热技术制备的硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array(简称Si-NPA))的场致发射性能。测试结果显示,Si-NPA的开启电场为约1.48V/μm;在5V/μm的外加电场下,其发射电流密度为28.6μA/cm2;在外加电场4.4V/μm时,其电流浮动率为13%。Si-NPA发射性能增强的原因是由于其独特的表面形貌和结构所致。

退火对电容型硅纳米孔柱阵列湿度传感器性能的影响

基于硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)制备电容型湿度传感元件,并在250℃、450℃和550℃三个温度下对元件进行退火处理。测试数据显示,在测试温度低于550℃时,Si-NPA湿敏元件灵敏度随退火温度的升高而增大,但响应时间略微延长,湿滞回差略微增大;550℃退火后,元件的灵敏度急剧降低。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)对不同温度退火的硅纳米孔柱阵列表面形貌进行观察,发现550℃退火元件的微观多孔结构发生了明显变化,即多孔结构致密化。结果表明,通过合适温度退火可以显著提高Si-NPA湿敏元件灵敏度,同时仍然保持较快的响应速度和较小的湿滞回差。

纳米碳化硅/硅纳米孔柱阵列湿敏性能研究

以硅纳米孔阵列(S i-NPA)为衬底,采用化学气相沉积法分别制备了S iC纳米颗粒/S i-NPA(nc-S iC/S i-NPA)和S iC纳米线/S i-NPA(nw-S iC/S i-NPA)复合体系,并对其表面成分和形貌、室温湿敏性能进行了表征。实验结果表明,nc-S iC/S i-NPA和nw-S iC/S i-NPA均对水蒸气表现出灵敏的电容响应。当环境相对湿度从11%增加到95%,在100 Hz的测试频率下nc-S iC/S i-NPA的电容增加了750%,而nw-S iC/S i-NPA的电容增加了1050%。通过升湿和降湿动态过程,测得nc-S iC/S i-NPA的响应和恢复时间均为10 s,nw-S iC/S i-NPA的响应和恢复时间分别为100 s和150 s。分析表明,nc-S iC/S i-NPA、nw-S iC/S i-NPA对湿度的高度敏感性主要源于nc-S iC、nw-S iC所引起感应面积的巨大增加,而其较短的响应和恢复时间则归因于阵列结构为水蒸气提供了有效的传输通道。

γ-Fe2O3/硅纳米孔柱阵列湿敏元件的湿敏性能研究

利用匀胶旋涂技术,将微乳-水热法制备出的、粒径均匀可控的γ-Fe2O3纳米颗粒沉积在具有独特微纳双重结构的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)基片上,制成γ-Fe2O3/Si-NPA湿度传感元件,并对其进行湿度感应测试结果发现,当环境相对湿度(RH)从11%升高到95%时,该元件的电容和电阻分别呈高灵敏度的单值增加和单值降低。在100 Hz的电流频率下,元件的高湿电容值升为低湿电容值的12 500%,低湿电阻值是高湿电阻值的51 515%。分析表明,微乳-水热法对γ-Fe2O3纳米颗粒尺寸的控制以及Si-NPA衬底的独特结构是提高元件灵敏度的主要原因。

金／硅纳米孔柱阵列的场发射

利用浸渍技术在硅纳米孔柱阵列(silicon nanoporous pillar array(简称Si-NPA))上制备了复合纳米薄膜Au/Si-NPA。测试了其场发射性能。测试结果显示,Au/Si-NPA的开启电场为约2V/μm;在7.59V/μm的外加电场下,其发射电流密度为67μA/cm2;在外加电压2000V时,其电流浮动率为21%。导致Au/Si-NPA优良的发射性能是由于其独特的表面形貌和结构所致。

基于硅纳米孔柱阵列氮化镓纳米结构的光致发光特性

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,采用化学气相沉积技术在不同条件下制备了GaN/Si-NPA,并对其表面形貌和结构进行了表征.结果表明,随着制备温度和氨气流量的升高,GaN/Si-NPA中GaN纳米结构的形貌发生显著变化,特征尺寸逐渐变大.对样品光致发光谱的测试结果表明,不同温度制备的GaN/Si-NPA均具有紫外光、黄光和红光3个发光带,但发光带的强度、峰位和半高宽随制备温度发生变化.对GaN/Si-NPA的光致发光过程与发光机制进行了分析,通过改变制备条件可以对其光致发光特性实现有效调控.

沉积在硅纳米孔柱阵列上的金网络

采用浸渍技术在硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)衬底上沉积了金(Au),得到了Au的网络结构Au/Si-NPA。测试分析表明,将Au/Si-NPA进行600℃氧退火60min,退火前后的Au晶粒度分别为26.0nm和75.5nm。无论是在氧气还是在氮气气氛下对Au/Si-NPA进行600℃退火,Au都不会渗透到Si-NPA衬底内,而且也不会与硅反应形成化合物。说明Au可作为良好的互连材料应用到超大规模集成电路中。

表面碳化的硅纳米孔柱阵列的H2S室温电容传感特性

通过将硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)进行高温碳化处理,制备出一种SiC/Si-NPA复合纳米体系。对SiC/Si-NPA的表面形貌和结构表征揭示,生长于Si-NPA上的SiC薄膜由具有立方结构的SiC纳米颗粒组成,厚度为～200 nm。SiC/Si-NPA整体上保持了Si-NPA原有的柱状阵列结构特征。对浓度介于0～1 200×10-6的H2S气体的室温传感性能测试表明,SiC/Si-NPA对H2S气体的电容响应灵敏度可高达790%,而其对400×10-6浓度H2S气体的响应和恢复时间则分别为170 s和200 s,元件具有较好的测量重复性和稳定性。SiC/Si-NPA可能是一种室温条件下较为理想的H2S气体传感材料。

钛酸锶钡/硅纳米孔柱阵列复合薄膜的制备及电学性能

采用溶胶-凝胶技术制备了钛酸锶钡薄膜(Ba0.7Sr0.3TiO3,BST)/硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)复合薄膜,扫描电镜显示BST均匀地覆盖在Si-NPA衬底的柱状表面,X射线衍射研究表明BST在600℃及以上退火温度下可形成钙钛矿相结构。剩余极化强度(Pr)和矫顽场(Ec)随着温度的升高而增大,在800℃退火温度下分别对应于4.57μC/cm2和7.61kV/mm。机理研究表明,肖特基发射和空间电荷限制电流两种机理共同作用于该薄膜材料的漏电流形成过程。

基于硅纳米孔柱阵列的Zn掺杂CdS纳米晶光学特性研究

利用化学水浴法在硅纳米孔柱陈列(Si-NPA)上沉积了硫化镉(CdS)纳米晶,制得硫化镉/硅纳米孔柱阵列(CdS/Si-NPA)纳米异质结,并对非掺杂和锌(Zn)掺杂CdS/Si-NPA进行表征。研究结果表明:CdS/Si-NPA的结构保持了Si-NPA的规则阵列结构,通过加入一定量的氯化锌,实现了Zn对CdS的掺杂,Zn掺杂后的CdS晶粒大小由约18.1nm减小为约17.6nm,Zn的掺入导致了CdS/Si-NPA的光学带隙由约2.45eV增大到约2.49eV,Zn的掺杂能有效调控CdS带隙。

碳化的硅纳米孔柱阵列的光致发光特性

采用水热腐蚀法制备了硅纳米孔柱阵列(Si-NPA),并对其进行了不同时间的高温碳化处理.通过对样品光致发光谱进行对比分析,发现Si-NPA经碳化处理后红光发光峰消失,蓝光发射峰强度增强,同时出现一个新的紫外光发光峰.结合对Si-NPA中碳原子存在状态的拉曼分析,蓝光发射峰、紫外光发射峰被分别归因于氧化硅的缺陷发光和碳原子掺杂Si-NPA引起的缺陷发光.上述研究结果为澄清Si-NPA的发光机制以及实现其发光稳定性提供了有益的信息.

硅纳米孔柱阵列的酒敏特性研究

采用水热腐蚀技术制备了表面同时具有规则阵列结构和多孔结构的硅微米/纳米结构复合体系硅纳米孔柱阵列(S i-NPA),并测试了其电阻酒敏特性。结果表明:S i-NPA对酒精具有较高的灵敏度和较快的响应时间。S i-NPA良好的酒精敏感性能被归因于S i-NPA的表面结构,即高灵敏度来自于其巨大的比表面积对酒精分子的物理吸附,而快响应时间则来源于其表面规则的硅柱阵列为气体的传输提供有效的通道。S i-NPA独特的层次结构使其有可能在未来硅基薄膜传感器等方面得到应用。

制备条件对硅纳米孔柱阵列表面硅柱密度调制

采用水热技术制备的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)是一种具有规则层次结构的硅微米/纳米结构复合体系,具有广谱光吸收和光致发光特性。针对由HF和Fe(NO3)3组成的水热腐蚀溶液体系,研究了溶液组分浓度、腐蚀温度等制备条件对Si-NPA表面硅柱密度及其光致发光性能(PL)的调制作用。结果表明,当腐蚀温度、HF(或Fe3+)浓度固定而变化Fe3+(或HF)浓度时,硅柱面密度随HF(或Fe3+)浓度的增加呈指数减小趋势,但样品的PL峰位保持不变;当溶液中Fe3+,HF浓度固定时,硅柱面密度随腐蚀温度的升高而单调减小,同时样品的PL峰位发生蓝移、发光强度增强。

ZnO/Si纳米孔柱阵列的真空蒸镀及其光致发光特性

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,通过采用真空蒸镀技术沉积金属锌,再在纯氧气氛中进行氧化退火的方法,制备出具有阵列特征的ZnO/Si-NPA异质结构材料。研究发现,ZnO/Si-NPA的表面形貌、结构和光致发光特性强烈依赖于氧化退火温度。当氧化退火温度低于400℃时,样品的发光主要来自于Si-NPA衬底;当氧化退火温度高于700℃时,样品的发光主要来自于ZnO薄膜;经过600℃氧化退火的样品则同时包含有来自于Si-NPA和ZnO薄膜的发光。上述结果表明,通过控制ZnO/Si-NPA制备过程中的氧化退火温度,可以在一定程度上实现对其光致发光谱的有效调控。这对未来制备具有特定功能的半导体光电器件具有重要的实际意义。

纳米氧化铟/硅纳米孔柱阵列的酒敏特性

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底、高纯金属铟为铟源,采用化学气相沉积法制备了氧化铟(In_2O_3)/Si-NPA复合纳米体系,并对其表面形貌和结构进行了表征.结果表明,In_2O_3/Si-NPA中In_2O_3具有体心立方结构,其薄膜由粒径为100~400 nm的纳米颗粒和长约为1μm、直径约为300 nm的纳米棒组成,而这些纳米颗粒、纳米棒均由平均粒径约为19 nm的In_2O_3纳米晶粒组成.气体传感性能测试结果表明,In_2O_3/Si-NPA对低含量酒精具有较高的响应度和良好的选择性.当酒精的体积分数为2×10^(-6)时,器件的响应值达到463%,响应和恢复时间分别为15 s和8 s.

银在硅纳米孔柱阵列上浸渍沉积的位置选择性

利用硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)表面规则的图案化形貌和还原性,采用浸渍沉积技术制备了具有三种不同表面结构特征的Ag/Si-NPA复合纳米体系。在未经清洗的Si-NPA衬底,沉积银的形貌为树枝状;在新鲜衬底和自然老化衬底上,银的沉积都会形成规则的手链网络;而经过强氧化处理的衬底上则不能实现银的浸渍沉积。分析表明,Si-NPA表面的规则阵列和多孔结构等几何构型,在样品的后处理过程中将导致样品表面氧化程度随空间几何位置出现周期性梯度分布,从而对浸渍溶液中银离子在不同几何特征区域的还原、成核及生长模式产生控制作用,最终导致了银在Si-NPA表面浸渍沉积的位置选择性。本研究为采用浸渍沉积技术制备周期性、图案化的金属/硅复合纳米体系,研究其物理性能并探索其可能的器件应用奠定了基础。

硅纳米孔柱阵列上低温无催化剂生长碳纳米管

采用化学气相沉积的方法在硅纳米孔柱阵列衬底上无催化剂生长出碳纳米管.分别在新制备的和制备后再在常温下自然氧化一周的硅纳米孔柱阵列衬底上进行无催化剂生长碳纳米管,结果发现新制备的硅纳米孔柱阵列表面没有碳纳米管长出,而自然氧化一周的硅纳米孔柱阵列表面有大量的碳纳米管出现.从硅纳米孔柱阵列的结构及表面氧化程度的不同加以分析,提出了无催化剂生长碳纳米管的生长机理,为在无金属催化剂条件下生长碳纳米管提供了一种新的方法.

沉积于硅纳米孔柱阵列上的铜纳米颗粒退火行为研究

以具有规则表面形貌的硅纳米孔柱阵列(Silicon Nanoporous Pillar Array,Si-NPA)作为还原性衬底和组装模板,采用浸渍技术制备了铜/Si-NPA(Cu/Si-NPA)纳米复合体系。将新鲜制备的Cu/Si-NPA样品分别在400°C、600°C和800°C氮气气氛中退火,对比研究了沉积于Si-NPA衬底之上的铜纳米颗粒的表面形貌、晶粒尺寸随温度的演化规律。在较低、较高温度下退火时,铜纳米颗粒所发生的定向迁移、颗粒长大及中心凝聚现象分别在Ostwald成熟理论和团簇扩散理论的框架下得到了解释。

Au/Si-NPA复合纳米体系的SERS增强能力研究

利用具有准周期结构的硅纳米孔柱阵列(silicon nanoprous pillar array,Si-NPA)为衬底使用浸渍法制备优化Au/Si-NPA活性基底。并利用最优化制备的Au/Si-NPA活性基底对罗丹明6G(Rhoda-mine 6G,R6G)进行探测,研究其表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)光谱并对其增强原理进行解释。