溫度對單根氧化鋅納米線真空傳感器的影響*

王廣寧，郎 穎，姜威，陳婷婷，張偉光

(哈爾濱師范大學)

0 引言

隨著半導體材料的飛速發(fā)展，ZnO材料得到越來越多的關(guān)注.ZnO是六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其直接禁帶寬度為3.37 eV并且有很高的激子結(jié)合能(60 mV)，是作為光發(fā)射二極管、場效應管、光電檢測等方面應用的最佳候選材料.近年來，ZnO 準一維納米結(jié)構(gòu)，如納米線［1］、納米帶［2］、納米管等得到了更多的關(guān)注，大量文獻報道了多種ZnO納米結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光、光電探測、壓電效應等特性［3-4］.由于納米結(jié)構(gòu)材料比表面積較大，所以有很高的靈敏度.正是由于這一點，許多研究者制備了氣體傳感器［5］、光傳感器［6］、濕度傳感器、真空傳感器［7］.在對真空傳感器的研究中，研究者對不同氣體環(huán)境下的傳感器的特性進行了研究［7］，但很少有研究者研究了溫度對傳感器的影響，特別是高溫情況.該文主要闡述了ZnO納米線的制備及歐姆接觸的金屬-半導體-金屬器件.進一步完成了真空傳感器的制備，并對其在不同溫度下的特性進行了研究，認為脫附作用之后，溫度對ZnO納米線真空傳感器有很大的影響.

1 實驗過程

1.1 ZnO納米線的制備

利用化學氣相沉積方法在高溫管式爐中制備ZnO納米線.將ZnO粉放入剛玉舟上置于高溫爐內(nèi)，使其處于最高溫度處.以高純氬氣作為載氣，單晶Si(111)片作為襯底，使襯底位于剛玉舟的下游.加熱，使高溫爐升溫至1300℃，且在1300℃停留1.5 h后，自然冷卻到室溫，在此過程中始終保持高溫爐內(nèi)壓強為100Pa，氬氣流量為200sccm.利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM，S-4800，Hitachi)對制備的 ZnO納米線的形貌進行表征.

1.2 器件的制備

將帶有厚度為300 nm SiO2層的硅片作為襯底并分別在丙酮、酒精、去離子水中進行超聲波清洗5 min.待硅片干燥后，提取單根納米線放于SiO2層上，利用微柵法［8］在 SiO2表面分別蒸鍍Ti和Au兩種不同的金屬膜.為了讓金屬與半導體接觸更好，利用電阻爐對其進行退火.使電阻爐升溫至500℃，且在500℃停留5min后，自然冷卻到室溫.此過程中始終以高純氮氣為載氣.最后引出電極，利用Agilent B1500A對單根ZnO納米線進行Ⅰ-V特性的測量.

2 實驗結(jié)果與分析

圖1為樣品的SEM圖，可以看出納米線的長度為40～100μm，直徑為40～80 nm.圖2為單根納米線器件示意圖.

圖1 ZnO納米線SEM圖

圖2 單根納米線器件示意圖

為了研究溫度對真空傳感器特性的影響，我們首先測試了室溫下不同真空環(huán)境下的單根ZnO納米線器件的Ⅰ-V特性曲線.圖3給出了p=105Pa和p=1×10 Pa的Ⅰ-V曲線，可以看出納米線與電極之間形成很好的歐姆接觸，隨真空度提高，單根ZnO納米線的電阻率明顯降低.圖3中的插圖給出了單根納米線的SEM圖，可以看出納米線的有效長度約為10 μm.

圖3 室溫下器件在p=1×105Pa(紅色)和p=10 Pa(黑色)的Ⅰ-V特性曲線.插圖為單根ZnO納米線及兩電極的SEM圖

圖4給出了室溫下單根ZnO納米線器件的電阻隨真空度的變化關(guān)系，可以看出隨著壓強的降低納米線的電阻按對數(shù)規(guī)律減小，可見單根ZnO納米線器件可以制成真空傳感器.ZnO真空傳感器機理可以解釋如下:空氣中的氧氣和水蒸氣很容易從納米線表面捕獲自由電子而吸附在納米線的表面形成氧負離子(O2-，O-)［9-11］，并在納米線表面形成了耗盡層，導致整個納米線的導電性下降［12］.提高真空度后降低氧氣和水蒸氣濃度，氧負離子進行了脫附作用，使得納米線表面的電子數(shù)增加，降低了耗盡層的厚度，導致納米線的電阻下降.

圖4 室溫單根納米線在不同壓強下的電阻

圖5 不同真空度下的單根納米線電阻隨溫度的變化關(guān)系

圖5為不同真空度下ZnO納米線電阻隨溫度變化的曲線，ZnO納米線的本征電阻率隨溫度的升高而降低，導電性增強.在p=10 Pa時，室溫情況下的電阻約為高溫情況下(T=325℃)的1000倍.而在p=1×105Pa時，室溫情況的電阻是高溫情況下(T=325℃)的10倍.這種巨大變化主要是由于真空度迅速的升高，吸附在納米線的表面的氧負離子進行了脫附的作用之后，使得耗盡層厚度降低，納米線內(nèi)部可參與導電的電子數(shù)增多，此時溫度對納米線的影響作用更大，導致納米線電阻率迅速降低.通過以上的實驗數(shù)據(jù)的分析，我們認為脫附作用之后，溫度對ZnO納米線真空傳感器有很大的影響.

3 結(jié)束語

該文利用微柵電極法制備了單根氧化鋅納米線真空傳感器，在不同溫度下測試傳感器的電阻率隨溫度變化特性.ZnO納米線的本征電阻率隨溫度的升高而降低，導電性增強.并且發(fā)現(xiàn)由于納米線的表面的氧負離子進行了脫附的作用，納米線內(nèi)部可參與導電的電子數(shù)增多，所有溫度變化會導致納米線電阻迅速降低.進一步說明脫附作用之后，溫度對ZnO納米線真空傳感器有很大的影響.

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