硅纳米线温度传感器及其特点
摘要
利用气液固相法（VLS）制备硅纳米线（SiNWs），结晶的方向和结构良好，用旋涂(SOD)法进行非原位n型掺杂。非原位掺杂过程中使用基于固态扩散的SOD 技术，该SOD技术分为涂层和驱动两个步奏。我们对含磷的硅纳米线在适当的温度和时间下进行研究，本实验取950℃保持5到60分钟。掺杂的纳米线很容易做成一个具有良好分辨率和响应速度的温度传感器。对不同掺杂浓度的SiNWs 温度传感器的校准工作已经完成。本实验测定浓度为的SiNWs传感器具有最好的分辨率（6186Ω/℃）和灵敏度。
关键词- SiNWs；VLS合成；非原位掺杂；SOD；温度传感器
I 背景
目前，硅是电子器件的重要材料。材料和工具的创新，通过“自上而下”的制造方法使电子器件的尺寸不断减小。随着尺寸的减小，“自上而下”的制造流程会出现越来越多的问题；因此，“自下而上”的制造方法更具指导意义。一维的纳米结构就是采用“自下而上”的制造方法。一维纳米结构材料硅纳米线和碳纳米管，是常用的研究纳电子学的材料，因为它们的形态、尺寸和电子的特性比整块材料优越。然而，碳纳米管材料在合成金属或半导体纳米管的控制，半导体纳米管掺杂的控制，限制了碳纳米管材料的应用。VLS制备的半导体纳米线，可以克服碳纳米管的局限性。硅纳米线(SiNWs)作为活性物质具有研究意义,因为硅纳米线可以把一维输运和传统的成熟的Si工艺制造流程组合在一起。因此，硅纳米线被认为是场效应晶体管，传感器件，光学器件等纳米电学材料的重要组成部分。
此外，硅掺杂源的选择和掺杂浓度的控制，已经在传统的集成电路工艺（固体扩散，离子注入等）中被广泛研究。然而，硅纳米线主要是在VLS法中的气相过程进行原位掺杂。但是，原位掺杂生成的硅纳米线结构难以控制；例如,常用的掺杂剂气体乙硼烷，在VLS法中用于生长SiNWs硅烷气体，会导致侧壁线额外的生长；乙硼烷浓度过高会导致非晶硅壳周围形成晶体SiNWs；这些因素会导致SiNWs轴方向的掺杂不均匀。非原位掺杂与SiNWs生长的掺杂过程分开，避免了因SiNWs侧壁生长导致掺杂剂的变化或SiNWs结构的变化。非原位扩散使用旋涂法（SOD），在硅工艺上是十分成熟的。这种方法曾在VLS法进行磷掺杂生成SiNWs实验中简单介绍过。对SiNWs进行非原位掺杂，最适合用固态旋涂法控制掺杂物，而且对硅纳米线和硅晶结构造不成损害。适当温度和时间下的固态扩散决定了SiNWs的数量。
本实验中，通过旋涂法对VLS法生长的SiNWs晶体进行非原位掺杂时，要先进行退火处理。SiNWs与不同的方向衬底结合起来；非常有益于通过传统集成电路制造流程，制造高分辨率、高灵敏度的温度传感器。SiNWs温度传感器的特性在实验中测量和报告。
II传感器的制造和实验
首先，通过VLS法并利用金作催化剂在硅基板上生成SiNWs。在洁净的p 衬底（111方向）涂金膜，然后加热使金膜蒸发溅射到纳米颗粒上形成金纳米线。
基底形成一个低压化学沉淀体系，生成SiNWs。SiNWs 在300mtorr压强SiH4/H2气体的比例为100/400，经过620℃保持240分钟生长而成；然后用HF/H2O=1/50的氢氟酸溶液清洗硅纳米线周围的氧化层。在200kev下用JEOL JEM-2100F透射电子显微镜（TEM）观察和在10kev下用JEOL JSM-7001扫描电子显微镜（SEM）成像分析SiNWs。SiNWs样本悬挂在TEM铜网和多孔碳膜上进行观察。
然后，在硅衬底（100）处，100nm厚氧化层上生长SiNWs，制成温度传感器。简单的通过压SiNWs衬底（使纳米线的表面向下），硅衬底（100）方向顶部，使SiNWs衬底沿一个方向下滑完成转向过程。SiNWs能被截断，并且在衬底（100）在某个方向成良好的线性；如图1a所示，这是由于硅纳米受到特定方向的冲压和滑动。通过光学显微镜可以观察和辨别单个纳米线的位置；由于纳米线较长，可以从显微镜下清楚地观察到。然后通过光刻制造出的电极连接每个硅纳米线；构造一个500nm厚，500×500μm大小的AI电极；电极之间间隔5μm。由于AI层很薄，纳米线经过镀铝和光刻胶处理后，在显微镜下仍能清晰的观察出来，如图1b。每个电极与硅纳米线通过合适的连线连接。在单位光掩膜版上有40个电极，而平均大约只有10个电极与硅纳米线相连。
紧接着用热散射过程对SiNWs进行旋涂掺杂，掺杂后退火处理，旋涂源由Emulsitone公司提供。旋涂掺杂的磷源的“磷膜”密度；旋涂磷源以每30s/3000rpm的转速在SiNWs表面旋涂，然后再110℃下烘烤15分钟，除去磷膜上多余的溶剂。然后，在石英炉中加热到950℃，烘烤10到60分钟，使磷掺杂到SiNWs中。SiNWs通过500nm厚的AI电极传输电信号，实验用Suss MicroTec MA 150CC光刻机进行光刻。AI电极与电压表连接，然后就能测量SiNWs温度传感器的温度特性。通过把传感器放进温度箱，用NetDAQ 数据采集系统进行校准。
Ⅲ结果及讨论
制备宽度为100到200纳米，长度为18到22μm在硅晶111方向的SiNWs；图2a是在透射电子显微镜下观测的；图2b是SiNWs的电子衍射图像。图3是SiNWs温度传感器的扫描电子显微镜图像，揭示了SiNWs温度传感器的原理。单个磷掺杂SiNW温度传感器单元，SiNW和AI电极通过沉积铝薄膜与纳米线接触，传感器阻值会非常低。
SiNW的掺杂率，通过标准的硅电阻率与磷浓度的关系式得出；由SiNWs 的掺杂浓度，可以得出SiNWs的掺杂浓度随扩散时间的增加而增加。在950℃下扩散5到60分钟，形成3种掺杂浓度SiNWs，如表1所示。硅纳米线在5,10,60分钟下的掺杂浓度为，，。
图4掺杂浓度为的SiNW温度传感器的温度特性；温度传感器的阻值与温度（30~100℃）呈线性变化；通过计算可以得出传感器的分辨率为6186Ω/℃。电阻的温度系数（TCR，α）由下面的计算式得出：
其中R1，R2是传感器在T1，T2温度下的阻值，计算得出TCR为。
由图5得出，不同的掺杂浓度的SiNW温度传感器具有不同温度特性；随着掺杂浓度的增加，传感器的分辨率下降。掺杂浓度还可以影响SiNW温度传感器的TCR；表II是不同掺杂浓度下SiNW温度传感器的TCR；当掺杂浓度从
增加到时，传感器的分辨率从6186Ω/℃减到0.43Ω/℃；TCR的大小从降到。电阻的温度系数越高，温度传感器的分辨率越高；综合得出SiNW温度传感器在掺杂浓度为时分辨率最高，灵敏度最好。
Ⅳ结论
实验成功的通过VLS过程生成111方向的SiNWs晶体；SiNWs容易进行旋转涂布掺杂和退火；退火时间从5分钟增加到60分钟时，掺杂浓度会从
增加到。随着掺杂浓度的增加，传感器的分辨率从6186Ω/℃减到0.43Ω/℃；TCR的大小从
降到；由此看出，SiNW温度传感器在掺杂浓度低时，分辨率和灵敏度更好。可以通过较低的温度和更短的扩散时间，得到分辨率更高的传感器。由于纳米线的温度传感器的传感器单元非常小，因此可以获得高的灵敏度和响应速度。此外，纳米线传感器还具有尺寸小需要的能量少，更加节能等优点。
硅纳米线温度传感器及其特点 摘要 利用气液固相法（VLS）制备硅纳米线（SiNWs），结晶的方向和结构良好，用旋涂(SOD)法进行非原位n型掺杂。非原位掺杂过程中使用基于固态扩散的SOD 技术，该SOD技术分为涂层和驱动两个步奏。我们对含磷的硅纳米线在适当的温度和时间下进行研究，本实验取950℃保持5到60分钟。掺杂的纳米线很容易做成一个具有良好分辨率和响应速度的温度传感器。对不同掺杂浓度的SiNWs 温度传感器的校准工作已经完成。本实验测定浓度为的SiNWs传感器具有最好的分辨率（6186Ω/℃）和灵敏度。 关键词- SiNWs；VLS合成；非原位掺杂；SOD；温度传感器 I 背景 目前，硅是电子器件的重要材料。材料和工具的创新，通过“自上而下”的制造方法使电子器件的尺寸不断减小。随着尺寸的减小，“自上而下”的制造流程会出现越来越多的问题；因此，“自下而上”的制造方法更具指导意义。一维的纳米结构就是采用“自下而上”的制造方法。一维纳米结构材料硅纳米线和碳纳米管，是常用的研究纳电子学的材料，因为它们的形态、尺寸和电子的特性比整块材料优越。然而，碳纳米管材料在合成金属或半导体纳米管的控制，半导体纳米管掺杂的控制，限制了碳纳米管材料的应用。VLS制备的半导体纳米线，可以克服碳纳米管的局限性。硅纳米线(SiNWs)作为活性物质具有研究意义,因为硅纳米线可以把一维输运和传统的成熟的Si工艺制造流程组合在一起。因此，硅纳米线被认为是场效应晶体管，传感器件，光学器件等纳米电学材料的重要组成部分。 此外，硅掺杂源的选择和掺杂浓度的控制，已经在传统的集成电路工艺（固体扩散，离子注入等）中被广泛研究。然而，硅纳米线主要是在VLS法中的气相过程进行原位掺杂。但是，原位掺杂生成的硅纳米线结构难以控制；例如,常用的掺杂剂气体乙硼烷，在VLS法中用于生长SiNWs硅烷气体，会导致侧壁线额外的生长；乙硼烷浓度过高会导致非晶硅壳周围形成晶体SiNWs；这些因素会导致SiNWs轴方向的掺杂不均匀。非原位掺杂与SiNWs生长的掺杂过程分开，避免了因SiNWs侧壁生长导致掺杂剂的变化或SiNWs结构的变化。非原位扩散使用旋涂法（SOD），在硅工艺上是十分成熟的。这种方法曾在VLS法进行磷掺杂生成SiNWs实验中简单介绍过。对SiNWs进行非原位掺杂，最适合用固态旋涂法控制掺杂物，而且对硅纳米线和硅晶结构造不成损害。适当温度和时间下的固态扩散决定了SiNWs的数量。 本实验中，通过旋涂法对VLS法生长的SiNWs晶体进行非原位掺杂时，要先进行退火处理。SiNWs与不同的方向衬底结合起来；非常有益于通过传统集成电路制造流程，制造高分辨率、高灵敏度的温度传感器。SiNWs温度传感器的特性在实验中测量和报告。 II传感器的制造和实验 首先，通过VLS法并利用金作催化剂在硅基板上生成SiNWs。在洁净的p 衬底（111方向）涂金膜，然后加热使金膜蒸发溅射到纳米颗粒上形成金纳米线。
纳米线无结晶体管 所有现存的晶体管都是基于使用向半导体材料当中引入掺杂原子后构成的半导体结来制作完成的。随着现代器件当中的半导体结之间的距离降低到10nm以下，超出以往的的高 掺杂浓度梯度已经变得非常必要。由于扩散定律和掺杂区域的统计学原理的诸多限制，半导体业在制造这种半导体结上勉励着越来越重大的困难。在这篇文章当中，我们提出并描述一 种新型的晶体管，这种晶体管没有PN结也没有掺杂浓度梯度。这种器件拥有全部的CMOS 功效并采用硅纳米线构成。他们拥有接近理想的亚阈值坡度，极低的泄漏电流，在栅压和温 度条件下比经典的晶体管结构在迁移率方面有更小的退化。 所有现存的晶体管都是基于PN结结构制作的。PN结根据所加的偏置实现允许电流通 过和阻止电流的功能。他们的结构是由两块极性相反的半导体相接触构成的.最常见的结就是PN结，它是由富含空穴的P型硅和富含电子的N型硅的接触构成的。每一本关于半导 体器件物理的书都包含一章讲解PN结，通常是处在讲解半导体材料基础的介绍性章节和详 细介绍不同种类的晶体管的章节之间。其他种类的结包括金属和硅组成的肖特基结和异质结，它是一种由两种不同的半导体材料组成的PN结。双极晶体管包含两个PN结，MOSFET 晶体管也是如此。结型晶体管只有一个PN结，MESFET晶体管包含一个肖特基晶体管。 第一个有关晶体管原理的专利是由奥匈帝国物理学家Julius Edgar Lilienfield 于1925年 10月22日在加拿大注册的。他在几年之后用 "Device for controlling electric current ”的名字在美国注册了这种器件。但是他从来没有发表过任何关于这种器件的研究文章。这个 Lilienfield晶体管是一个场效应晶体管，有点像现代的金属氧化物场效应晶体管。它的结构是这样的：一个薄的半导体薄膜放置在一个薄的绝缘层上，这个结构又放置在一个金属电极 上。最后的这个金属电极就像一个器件的栅极一样去工作。工作的时候，电阻中的电流在两 个接触的电极之间流动，就像现在的MOS晶体管中在源极和漏极之间的漏极电流一样。这 个Lilienfield器件就是一个简单的电阻，应用到的这个门电压可以使半导体薄膜里的载流子耗尽，从而改变它的导电性。理想的状态下，应该可以去完全的去耗尽半导体薄膜中的载流子，这种情况下器件的电阻值近似无穷大。 Lilie nfield晶体管，与其他类型的晶体管不同，它不包括任何结。尽管不带任何半导体结的晶体管的想法可能会显得非主流，可是晶体管的这个名字也的确没有表明半导体结的存 在。晶体管是一个固态活动的晶体管，它可以控制电流，并且晶体管这个词也是一个可变和 电阻器的合成词。从技术上讲，Lilie nfield晶体管是一个门控的可变电阻器。也就是说，它 是一个有一个控制载流子密度（或者说电流）的门的电阻。它是最简单和首个被申请专利的 晶体管结构。但是不幸的是，在Lilienfield的时代可用的技术不足以制造一个可利用的器件。
PN结正向压降与温度特性的研究 【实验目的】 1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。 2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。 【实验仪器】 1、 pn结物理特性实验仪。 2、保温杯。 3、开水、冰块等。 【实验原理】 1、理想的pn结正向电流IF 与压降VF 存在如下近似关系 式中,q 为电子电量,K=1、38×10－23J?K-1为玻尔兹曼常数,T 为热 力学温度,Im 为反向饱与电流,它的大小 其中C 就是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数;γ就是热学中的比热比,也就是一个常数;Vg(0)就是热力学温度T=0 时,PN 结材料的能带结构中,它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中,把有电子存在的能量区域称作价带,空着的能量区域叫导带,而电子不能存在的能量区域叫禁带。 将式(2)带入式(1),两边取对数可得 (3) 其中,。式(3)就是PN 结温度传感器的基本方程。当正向电流IF为常数时,V1 就是线性项,Vn1 就是非线性项,这时正向压降只随温度的变化而变化,但其中的非线性项Vn1引起的非线性误差很小(在室温下,γ=1、4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0、048mV)。因此,在恒流供电情况下,PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V1,即在恒流供电情况下,正向压降VF 随温度T
的升高而线性地下降,这就就是PN 结测温的依据。我们正就是利用这种线性关系来进行实验测量。 必须指出,上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间,对最常用的硅二极管,温度范围约为-50℃—50℃,若温度超出此范围,由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加,VF —T 的关系将产生新的非线性。更为重要的就是,对于给定的PN 结,即使在杂质导电与非本征激发的范围内,其线性度也会随温度的高低有所不同,非线性项Vn 1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度,使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段,这就是PN 结温度传感器的普遍规律。同时从式(1)、(2)、(3)可以瞧出,对给定的PN 结,正向电流IF 越小非线性项越小,这说明减小IF ,可以改善线性度。 2、PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。 实验线路 测温电路 通过调节实验电路中电源电压,使上电阻两端电压保持不变,即电流I ＝100μA 。同时用电桥测量铂电阻T R 的电阻值,通过查铂电阻值与温度关系表,可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔5℃－10℃测一定be U 值(即V 1)与温度θ(℃)关系,求得T U be -关系。 当PN 结通过恒定小电流(通常电流I ＝1000μA),由半导体理论可得be U 与T 近似关系: go be U ST U += (3) 式中S ≈－2、3C mV o /为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。硅材料的go E 约为1、20eV 。 【实验内容与步骤】
纳米线传感器研究进展 曹渊袁庆华夏之宁? (重庆大学化学化工学院重庆 400044 摘要纳米线传感器具有尺寸小、灵敏度高、响应快和能耗低的优点,在化学及生物等领域有广泛的应用前景, 已成为研究的热点。本文从制备、组装和应用等方面评述了基于纳米线的气体及生物传感器的研究进展,并对纳米线传感器的应用前景进行了展望。 关键词纳米线制备组装传感器 Advance on Nanowire Sensor Cao Yuan, Yuan Qinghua, Xia Zhining (College of Chemistry and Chemical Engineering , Chongqing University , Chongqing 400044 Abstract Due to the small size, high sensitivity, real time detection, fast response and ultra-low power demands, nanowire sensors are being investigated for detection of a wide range of chemical and biochemical species. The advances in gas sensors and biosensors based on nanowires including their fabrication, assembly, functionalization and applications had been addressed. Finally, the development of this field in the future was prospected. Keywords Nanowire , fabrication, assembly, Sensor 传感器在微型化、自动化、选择性、稳定性、灵敏性、响应时间和使用寿命等方面的要求越来越高, 新型传感材料的开发应用越来越受到重视。采用新材料制作新型传感器已成为研究的重要方向之一, 以纳米线作传感器敏感材料的研究尤其引人注目。这主要在于一维纳米材料有巨大的比表面积、很高的表面活性,所以对周
收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@https://www.doczj.com/doc/559828451.html,. cn 纳米电化学生物传感器 * 杨海朋 ** 陈仕国李春辉陈东成戈早川 (深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060 摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信 号的分析器件。本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。 关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化 中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207 Nanomaterials Based Electrochemical Biosensors Y ang Haipeng **
Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials. Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ation Contents 1 Introduction to biosensors 2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials 2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors
目录 摘要...................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. III 第1章绪论 . (1) 1.1课题背景及研究目的和意义 (1) 1.2国内外研究现状及分析 (3) 1.2.1长径比银纳米线制备研究现状 (3) 1.2.2银纳米线定向排布研究现状 (7) 1.2.3柔性传感器的研究现状 (11) 1.3本文的主要研究内容 (15) 第2章试验材料和方法 (16) 2.1试验原理 (16) 2.1.1银纳米线生长原理 (16) 2.1.2 PDMS柔性基底 (17) 2.2试验方法 (18) 2.2.1银纳米线制备方法 (18) 2.2.2 PDMS基底制备方法 (19) 2.2.3柔性传感器的制备方法 (19) 2.3试验材料 (20) 第3章银纳米线的制备及定向排布 (22) 3.1引言 (22) 3.2一步还原法制备银纳米线的基本参数 (23) 3.3试验参量对银纳米线形貌的影响 (26) 3.3.1辅助离子助剂对银纳米线形貌的影响 (27) 3.3.2 PVP对银纳米线形貌的影响 (29) 3.3.3最优参数下银纳米线的形貌表征 (31) 3.4银纳米线的定向排布 (32) 3.4.1银纳米线在不同基板上的涂覆效果 (33) 3.4.2银纳米线在PDMS上的定向表征 (35) 3.4.3定向排布的原理分析 (40) 3.5本章小结 (43)
现代材料制备技术 期末报告 姓名：翁小康 学号：12016001388 专业：材料工程 教师：朱进 2017年6月24日
Si纳米线的制备方法总结及其应用 摘要：Si纳米线是一种新型的一维纳米半导体材料，具有独特的电子输运特性、场发射特性和光学特性等。此外，硅纳米线在宽波段、宽入射角范围内有着优异的减反射性能以及在光电领域的巨大应用前景。传统器件已不满足更快更小的要求，因此纳米线器件成为研究的热点。关于硅纳米线阵列的制备方法，本文主要从“自下而上”和“自上而下”两大类出发，分别阐述了模板辅助的化学气相沉积法、化学气相沉积结合Langmuir-Blodgett技术法和金属催化化学刻蚀法等方法。最后介绍了Si纳米线在场效应晶体管、太阳能电池、传感器、锂电池负极材料等方面相关应用。 关键词：Si纳米线；阵列；制备方法；器件应用 0 引言 近年来，Si纳米线及其阵列的制备方法、结构表征、光电性质及其新型器件应用的研究，已成为Si基纳米材料科学与技术领域中一个新的热点课题。人们之所以对Si纳米线的研究广泛关注，是由于这种准一维纳米结构具有许多显著不同于其他低维半导体材料的电学、光学、磁学以及力学等新颖物理性质，从而使其在场发射器件、单电子存储器件、高效率激光器、纳米传感器以及高转换效率太阳电池等光电子器件中具有重要的实际应用[1]。 硅纳米线阵列( silicon nanowires arrays，简称SiNWs阵列) 是由众多的一维硅纳米线垂直于基底排列而成的，SiNWs阵列与硅纳米线之间的关系如同整片森林与单棵树木一样，它除了具有硅纳米线的特性外，还表现出集合体的优异性能：SiNWs阵列独特的“森林式”结构，使其具有优异的减反射特性，在宽波段、宽入射角范围都能保持很高的光吸收率，显著高于目前普遍使用的硅薄膜。例如，对于波长300—800 nm的光，在正入射的情况下，硅薄膜的平均光吸收率为65% ，而SiNWs阵列的平均光吸收率在80% 以上；在光入射角为60°时，硅薄膜的平均光吸收率为45%，而SiNWs阵列的平均光吸收率达70%［2］。这对于硅材料在太阳能高效利用方面，具有十分重要的意义。本文将对国内外关于硅纳米线阵列的制备及其在光电领域应用的研究进展进行系统阐述。 1 Si纳米线阵列的制备方法 近年来，为制备有序的SiNWs阵列，研究者先后开发出多种制备方法，这些方法大体上可分为两类：“自下而上( bottom-up )”和“自上而下( topdown)”。前者是从原子或分子出发控制组装成SiNWs阵列；而后者则是从体硅(硅片)出发，经化学刻蚀制得。 1.1 自下而上 目前，“自下而上”的制备方法，主要是激光烧蚀沉积，化学气相沉积法( chemical vapor deposition，CVD)与有序排列技术相结合及热蒸发等。CVD法是利用气态或蒸气态物质在气相或气固界面上反应生长固态沉积物的方法。该法直
实验三PN结温度传感器测温实验 实验目的：了解PN结温度传感器的特性及工作情况。 所需部件：主、副电源、可调直流稳压电源、-15V稳压电源、差动放大器、电压放大器、F/V 表、加热器、电桥、温度计。 旋钮初始位置：直流稳压电源±6V档，差放增益最小逆时针到底（1倍），电压放大器幅度最大4.5倍。 实验原理：晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降约2.1mV，利用这种特性可做成各种各样的PN 结温度传感器。它具有线性好、时间常数小（0.2～2秒），灵敏度高等优点，测 温范围为-50℃～+150℃。其不足之处是离散性大互换性较差。 实验步骤：(1)了解PN结，加热器，电桥在实验仪所在的位置及它们的符号。 (2)观察PN结传感器结构、用数字万用表“二级管”档，测量PN结正反向的结电 压，得出其结果。 (3)把直流稳压电源V+插口用所配的专用电阻线（51K）与PN结传感器的正向端 相连，并按图37接好放大电路，注意各旋钮的初始位置，电压表置2V档。 图三 （4）开启主、副电源，调节W1电位器，使电压表指示为零，同时记下此时水银温度计的室温 值（△t）。 （5）将-15V接入加热器（-15V在低频振荡器右下角），观察电压表读数的变化，因PN结温度 传感器的温度变化灵敏度约为：-2.1mV/℃。随着温度的升高，其：PN结电压将下降△V，该 △V电压经差动放大器隔离传递（增益为1），至电压放大器放大4.5倍，此时的系统灵敏度S ≈10mV/℃。待电压表读数稳定后，即可利用这一结果，将电压值转换成温度值，从而演示出 加热器在PN结温度传感器处产生的温度值（△T）。此时该点的温度为△T+△t。 注意事项：（1）该实验仅作为一个演示性实验。 （2）加热器不要长时间的接入电源，此实验完成后应立即将-15V电源拆去，以免影响梁上的 应变片性能。 课后问题：（1）分析一下该测温电路的误差来源。 （2）如要将其作为一个0～100℃的较理想的测温电路，你认为还必须具备哪些条件？
太阳能电池的量子效率是指太阳能电池的电荷载流子数 目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子数目的比率。因此，太阳能电池的量子效率与太阳能电池对照射在太阳能电池表面的各个波长的光的响应有关。 外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)， 太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表 面的一定能量的光子数目之比。 内量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)，太 阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面 的没有被太阳能电池反射回去的，没有透射过太阳能电池的，一定能量的光子数目之比。 硅纳米线太阳能电池 基于硅纳米线太阳能电池的金属箔进行了阐述【foil - 铝箔】。此类设备的 主要优点是讨论，通过光的反射率，电压，电流和外部量子效率数据一个单元的设计，采用薄非晶硅层上沉积形成的纳米线阵列P - N结。一 个有前途的1.6 mA/cm2的电流密度为1.8平方厘米电池获得，并广阔的外部量 子效率测定的最大值为12％，在690纳米。“。2007年美国物理研究所。 近年来，一直存在一个显着的，复活在可再生能源系统的兴趣。太阳能转换 特别感兴趣，因为是丰富的源。今天的绝大多数鈥檚商业太阳能电池模块是基于 晶体硅，但有越来越多的薄膜的兴趣，所谓的第二代太阳能电池，以及第三代高 效率/低成本太阳能电池，一些需要使用的纳米结构的概念。基于纳米线净重的 太阳能电池是一种很有前途的阶级由于几个性能和光伏太阳能设备处理启用的 利益，包括直接路径这样的几何形状所带来的电荷传输纳米结构。【photovoltaic - 光伏】 纳米线和纳米棒，定义中的应用这里有宽高比5:1太阳能电池已试图在几个设备的配置和材料系统。纳米线/棒功能的太阳能电池的最新展示
第３２卷第７期２００６年７月 电子工囊师 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥＮＧＩＮＥＥＲ Ｖ０１．３２Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２００６ ＰＮ结温度传感器原理及应用 赵洪涛 （淮安信息职业技术学院，江苏省淮安市２２３００１） 摘要：介绍了采用ＰＮ结温度传感器进行温度测量的原理，在此基础上给出了ＰＮ结的信号调理电路，分析了各部分电路的特性，给出了由ＳＴＣ８９系列单片机组成的测温电路系统及其程序流程， 并指出了减小测量误差的方法。 关键词：温度传感器；ＰＮ结；信号调理电路；单片机 中图分类号：ＴＰ２１２．１１ ０ 引言 随着测温技术的迅速发展，新的测温传感器不断 出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器、核磁共振温度传感器、ＰＮ结温度传感器等在一些领域获得了广泛的应用。本系统充分利用温
度传感器测量温度快速、使用简便的特点，同时结合单片机的使用对数据进行实时处理，从而做到了对温度的 实时控制。 １ ＰＮ结温度传感器工作原理 二极管、三极管的特性与温度有很大关系，因此， 利用电压对温度的依赖关系制成ＰＮ结温度传感器。 已知ＰＮ结的电流．电压方程为： ．，＝（警＋警）Ｈ券）一?］（１） 设 卜警＋警 则 ．，＝Ｊｓ（ｅｘｐ（券）一?） （２） （３） 式中：．，。为反向饱和电流密度；Ｄ。为电子扩散系数；Ｄ。为空穴扩散系数；￡。为电子扩散长度；￡。为空穴扩散 系数。 当ＰＮ结处于正向偏压下，设正向偏压为Ｋ，一般
情况下，Ｋ＝露聊，则 ．，钆ｅｘｐ（喾） （４）睢＝筝ｎ（丢） （５） ‘ ｑ、．，ｓ， 收稿日期：２００５—１０一１９；修回日期：２００６ＪＤ２＿２０。 ?６６? 式（５）表明，当电流密度．，保持不变时，ＰＮ结的 正向电压Ｋ与温度ｒ成正比。对于ＰＮ＋结，ｎ》ｐ，只须考虑式（２）中第１项即可，因Ｄ。、￡。、ｎ砷与温度有关（Ｄ。、己。均与肛。及，有关）。设口。／丁。与矿成正比，ｙ 为常数，则有： 厶一警＝ｑ（∥番＝ Ｂｒ以［‰ｐ（＿嘉）】＿ 胛。峙）ｅｘｐ（一备） （６） 式中：Ｂ为常数；Ｅ。为禁带宽度；ＥｑＤ为绝对零度时的禁 带宽度，Ｅｑ０＝ｇ‰；‰为绝对零度时导带底和价顶的
图1半导体吸附前后能带图 纳米传感器 近年来兴起的纳米科学技术是在现代科学和现代技术的基础上发展起来的一门综合性科学技术，它是在纳米尺度（0.1~100nm ）范围内研究自然界中原子、分子的行为规律，实现由人类按需要直接排列原子，创造出性能独特的产品。纳米科学技术已经迅速渗透到纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学等各个领域，研究和应用前景十分广阔。目前，应用纳米技术研究开发纳米传感器，有两种情况：一是采用纳米结构的材料（包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料）制作传感器；二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。 纳米材料具有巨大的比表面积和界面，对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变，而且响应快，灵敏度高。因此，利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应，可制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料的研究相比，主要体现在应用得更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。 纳米材料特性制成的传感器 气敏传感器： 许多纳米无机氧化物都具有气敏特性，对某种或某些气体有极佳的敏感性能。气体传感器材料有如下要求：对测定对象气体具有高的灵敏度；对被测定气体以外的其他气体不敏感；长期使用性能稳定。 半导体纳米气体传感器是利用半 导体纳米陶瓷与气体接触时电阻的变 化来检测低浓度气体。半导体纳米陶瓷 表面吸附气体分子时，根据半导体的类 型和气体分子的种类不同，材料的电阻 率也随之发生不同的变化。半导体纳米 材料表面吸附气体时，如果外表原子的 电子亲合能大于表面逸出功，原子将从 半导体表面得到电子，形成负离子吸 附。相反，形成正离子吸附。N 型半导体发生负离子吸附时，其能带的变化如图1所示。 湿敏传感器 湿度传感器，可以将湿度的变化转换为电讯号，易于实现湿度指示、记录和控制的自动化。湿度传感器的工作原理是半导体纳米材料制成的陶瓷电阻随湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。纳米固体具有巨大的表面和界面，对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化。例如，BaTiO 3纳米晶体电导随水分变化显著，响应时间短，2min 即可达到平衡。湿度传感器的湿敏机制有电子导电和质子导电等。例如纳米Cr 2O 4-TiO 2陶瓷的导电机制是离子导电，质子是主要的电荷载体，其导电性由于吸附水而增高。 所用纳米材料制成的湿度传感器有很高的湿度活性，湿度响应快，对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。 压敏传感器 在压敏传感器中研究和应用日渐活跃的是氧化锌系纳米传感器，由于其具有均匀的晶粒尺寸，它不但适用于低电压器件，而且更适用于高电压电力站，它能量吸收容量高，在大电流时非线性好，响应时间短，电学性能极好，且寿命长。纳米氧化锌压敏传感器高度的非线
硅纳米线的表面改性 陈扬文唐元洪*裴立宅郭池 (湖南大学材料科学与工程学院长沙 410082) 摘要硅纳米线是一种新型半导体光电材料，具有纳米材料所特有的小尺寸效应，经表面改性的硅纳米线具有不同于普通硅纳米线的特殊性质。本文主要介绍硅纳米线表面改性的进展，包括为应 用于纳米电子技术中提高电子传输率和电路布线时达到更好欧姆接触而进行的硅纳米线表面金属改 性，阐述了金属在硅纳米线中的存在形态，以及应用于纳米传感器技术中为检测特定化合物及生物基 团而进行的硅纳米线表面有机物及生物改性。 关键词硅纳米线表面改性 Surface Modification of Silicon Nanowires Chen Yangwen, Tang Yuanhong*, Pei Lizhai, Guo Chi (College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082) Abstract Silicon nanowire (SiNW) is a new kind of optoelectronic semiconductor material. SiNWs in the nanoscale regime exhibit quantum confinement effects. The modified SiNW is highly promising because of the different properties from the normal SiNWs. Here the development of modification of SiNWs, including deposition metal nanoparticles on their surface to raise electronic conductivity and improve ohmic contacts of SiNWs, modification with organic matter, biological macromolecules applied to nanosensors and nanodetectors are introduced. Key words Silicon nanowires, Surface modification 自1991年发现碳纳米管[1]以来，纳米科学无论基础研究还是应用研究都取得了突破性进展。材料在纳米尺度范围内受量子尺寸效应的影响，其电学、光学、磁性及力学等物理特性表现出不同于体材料的性质，此外由于硅基纳米技术能很好地和当代微电子技术相兼容，因此对硅纳米线的研究吸引了物理、化学、材料科学等领域科学家的广泛关注。1998年成功大量制备硅纳米线[2,3]取得突破后，各国科学家分别采用激光烧蚀[4]、化学气相沉积(CVD)[5]、热气相沉积[6]和有机溶剂生长[7]等方法成功制备出硅纳米线，并且通过多种手段对硅纳米线进行了表征以及对其物理、化学、电学、光学等性质的研究，目前硅纳米线已开始在逻辑门和计数器[8]、纳米传感器[9]、场发射器件[10]等领域取得了一定的应用。实验室大量制备的硅纳米线直径一般都在20nm左右，受小尺寸效应影响，表面原子比例随直径的减少急剧增大引起其性质的变化，由于硅纳米线表面原子存在大量未饱和键，具有很强的表面活性，现已开始对其进行表面改性研究。当适当地对硅纳米线表面进行其它元素修饰时，硅纳米线的物理、化学性质得到进一步的改进，能够广泛应用于纳米器件中。本文对硅纳米线的表面改性影响其物理、化学性质的改进，以及改性的一些原理， 陈扬文男，26岁，硕士生，现从事硅纳米线制备以及对其改性的研究。*联系人，E-mail: yhtang@https://www.doczj.com/doc/559828451.html, 2005-01-26收稿，2005-09-09接受
天津大学 物理实验报告 姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】 1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数 3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流 4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度 5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】 半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】 1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足： ]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1) 当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： 0exp(/)I I eU kT = (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出 /e kT 。在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。 实验线路如图1所示。
2、弱电流测量 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。 运算放大器的输入电压0U 为： 00i U K U =- (3) 式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。因而有： 00(1) i i s f f U U U K I R R -+= = (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为 00 1i f f x s U R R Z I K K = =≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即： 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 图2 电流－电压变换器
东南大学 seminar课程简介 课程名称纳米孔生物传感器研究（Nanopore biosensor research） 任课教师刘全俊工作单位生医学院职称教授 Email 联系电话 任课教师教学科研简介： 任课教师自1999年研究生毕业后在东南大学生物科学与医学工程学院任教，同年进入分子与生物分子电子学教育部重点实验室（现生物电子学国家重点实验室）从事科研与教学工作。2004年、2005年分别赴香港中文大学与匈牙利科学院作短期访问研究，并于2010年赴美国斯坦福大学进行了为期一年的访问学者的研究工作。2008年获全国百篇优秀博士学位论文奖，2009年入选教育部“新世纪优秀人才计划”，江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人，江苏省生物技术协会第六届理事。 作为项目负责人，近年来已经主持完成国家自然科学基金项目2项（60341002，60671019），国家863高技术项目2项（2003AA2Z2070，2012AA02A103），中匈政府科技合作项目1项（CHN26/2006），国际合作项目1项（2009DFA32750），江苏省科技攻关项目2项，南京市科技攻关项1项。目前在研国家自然科学基金项目1项（61071050）,国家重大基础研究计划项目973子课题1项（2011CB707605-01）。发表论文30余篇，参与编写专著2部，参与翻译专著1部，申请专利二十余项.其中国际发明专利1项,已授权专利十余项。
主要研究方向为新一代基因测序、基因芯片、生物与化学传感器、单分子检测研究。近年集中在纳米孔生物传感器、纳米孔单分子检测器件、新型单分子检测系统的专项研究。已经建立完成了纳米孔基因测序系统测试平台，纳米孔加工技术及信号分析基础软件。 课程简介（含对学生基础的要求等,特别注明拟上课所在校区）：本课程是一门研讨（Seminar）课程，主要是为对纳米孔生物传感器研究有兴趣的学生开设的参与讨论、表达自己观点的课程。它将提供适当的研究素材，组织修课学生就基于纳米孔生物传感器的单分子检测研究的热点问题，进行主动思考、探索或研究。 本课程的教学目标：着重培养学生科学的思维方法和研究方法，有效拓宽学生跨学科的知识面，培养学生根据所研讨的课题进行调研、查阅资料、提出解决问题的思想、方法和技术路线等的能力，同时通过研讨培养学生的表达和交流能力。 本课程面向全校学生，特别欢迎生物、医学学科以及对纳米孔传感器和单分子检测技术有兴趣的学生参加，班级规模为20人左右。拟在四牌楼校区上课。 教学设计方案： 本课程选取纳米孔生物传感器研究领域的前沿科学创新，介绍纳米孔测序技术的起源，阐明该技术发展过程中的优缺点，及其未来发展方向和函待解决的科学难题。 本课程的总学时为32学时（其中6学时为课堂讲授，10学时为课堂讨论，16学时为课外学时，用于学生准备课题讨论所做的查阅资料等自学活动）。
实验二十三 PN 结温度传感器温度特性实验 一、实验目的：定性了解PN 结温度传感器的温度特性。 二、基本原理：晶体二极管、三极管的PN 结正向电压是随温度变化而变化的，利用PN 结的这个温度特性可制成PN 结温度传感器。目前用于制造温敏二极管的材料主要有锗、硅、砷化镓、碳化硅等。对于硅二极管，当电流保持不变时，温度每升高1℃，正向电压下降约2mV 。，它的温度系数为-2mV/℃，它具有线性好、时间常数小(0.2～2秒)、灵敏度高等优点，测温范围为：-50℃～+120℃。其不足之处是离散性较大，互换性较差。PN 结测温实验原理图如图23—1所示。 图23—1 PN 结测温特性实验原理图 三、需用器件与单元：机头平行梁中的PN 结(硅二极管)、加热器；显示面板中的F/V 表(或电压表)、±2V ～±10V 步进可调直流稳压电源、-15V 直流稳压电源；调理电路面板中传感器输出单元中的PN 结、加热器；调理电路单元中的电桥、差动放大器；万用表(自备)。 四、实验步骤： 1、根据23—2示意图用自备的万用表(二极管档)判断PN 结单向导通特性（可互换万用表表笔判断）。 图23—2 PN 结单向导通特性判断 3、差动放大器调零：在显示调理电路面板上按图23—3 示意接线。将电压表的量程切
换开关切换到200mV档，检查接线无误后合上主、副电源开关。将差动放大器的增益电位器按顺时针方向缓慢转到底，再逆时针回转一点点（防电位器的可调触点在极限端点位置接触不良），调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示电压为0。关闭主、副电源。 图23—3 差动放大器调零接线图 4、PN结室温时调零：将±2V～±10V步进可调直流稳压电源切换到2V档，按23—4示意图接线，将电压表量程切换到2V档，检查接线无误后合上主、副电源开关。调节电桥中的W2使电压表显示为0。 图23—4 PN结室温时调零接线图 5、PN结受热时温度特性：将-15V稳压电源接到加热器上，如图23—5所示，观察电压表的显示变化(大约5～6分钟时间)。再将加热器-15V电源去掉，观察电压表的显示变化。
实验27 PN结温度传感器温度特性实验 一，实验目的：定性了解PN结温度传感器的温度特性。 二，基本原理：晶体二极管，三极管的ＰＮ结正向电压是随温度变化而变化的，利用ＰＮ结的这个温度特性可制成ＰＮ结温度传感器。目前用于制造温敏二极管的主要材料有砷化镓，碳化硅，硅等。对于晶体二极管，当电流保持不变时，温度每升高１℃，正向电压下降约2mv。他的温度系数为-2mv/℃，它具有线性度好，时间常数小（0，2~2秒），灵敏度高等优点，测温范围为:-50℃~+120℃。其不足之处是离散性大，互换性较差。 三，常用器件与单元：机头应变梁中的PN结，加热器，主板中的F/V 表，-15V常用电源，1.2~12V可调电源，加热器，PN结，电桥，差动放大器，数显万用表。 四，实验步骤： 1，用自备的万用表测量PN结传感器各引线之间的关系结构。 10.77M 2，按图示接线，将F/V表切换开关至20V档检查接线无误后合上主电源，调节1.2~12V可调电源使F/V表显示为2V作为PN结工作电压Vs备用。关闭主电源。 3，差动放大器调节：在主板上按图示意接线。将F/V表的量程开关切换到200mV档，将差动放大器的拨动开关拨到开的位置，合上主电源开关。将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆时针回转1圈，调节调零电位器，使F/V表显示电压为0.关闭主电
源。 4，PN结室温时调零：按图27 5接线，将F/V表切换开关至2v档，检查接线无误后合上主电源开关。调节W2使F/V表显示为0. 5，将加热器接到-15V稳压电源上，观察F/V表的显示变化。再将加热器电源去掉，再观察F/V表显示变化。由此可见，当温度升高时PN 结电压下降，Vi升高。当温度下降时，PN结电压升高，Vi下降。实验完毕，关闭所有电源。