静电纺丝法制备纳米纤维氧化物晶体管及其传感特性研究

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近年来,场效应晶体管(FET)型气体传感器可以在室温下进行可靠的气体检测而受到广泛的关注。一维(1D)金属氧化物半导体(MOSs)纳米纤维由于高活性的比表面积、独特的电子传输通道以及优异的物理化学稳定性而广泛应用于气体传感器,因此研究纳米纤维FET气体传感器具有重要意义。然而,纳米纤维FET的电学性能与偏压稳定性是制约气体传感性能的重要因素,此外,如何提升FET型气体传感器的气体灵敏度和选择性依然是亟待解决的关键技术难题。为了实现高灵敏度与可靠性的FET气体传感器的制备,提高气体传感性能,本文完成了相关的研究工作,主要的研究内容和创新点如下:(1)高性能高稳定性的镧(La)掺杂的In2O3纳米纤维FET的构筑与性能提升研究。In2O3纳米纤维FET由于较多的氧空位缺陷,导致器件的电学性能与稳定性较差。在本工作中,采用简单方便的静电纺丝技术制备了La掺杂的氧化铟(LaInO)纳米纤维作为沟道层,减少了氧空位和界面缺陷态的密度,有效提升了FET的电学性能和正偏压(PBS)稳定性。通过调控La掺杂浓度,当La掺杂浓度为5 mol.%时,In2O3纳米纤维FET表现出优异的电学性能,其迁移率为4.95 cm~2/Vs,开/关电流比为1.1×10~8。此外,LaInO纳米纤维FET在正偏压下的阈值电压偏移量(ΔVTH)也由13.52 V降至0.38 V。为了进一步提高LaInO纳米纤维FET的电学性能,引进高介电常数Zr Al Ox栅介质层,器件的迁移率提升至13.5 cm~2/Vs,亚阈值摆幅降至0.18 V/dec。(2)络合反应与Y掺杂同时提升低成本绿色环保的Sn O2纳米纤维FET的性能。大多数的Sn O2纳米纤维FET的纳米纤维/绝缘层界面接触较差,严重影响着器件的性能。在本工作中,我们提出了引入Y来减少沟道层中的O空位,并选择乙醇胺(EA)作为络合剂以增强界面性能,使得Sn YO纳米纤维FET的氧空位浓度由73.9%降至29.6%,界面缺陷态密度由1.51×1012降至9.28×1011cm-2。基于EA添加的Sn YO纳米纤维FET表现出更优的电学性能,迁移率为2.70 cm~2/Vs,阈值电压为2.3 V。与不添加EA的器件相比,迁移率提高了近10倍。(3)高性能Yb掺杂In2O3纳米纤维场效应晶体管的制备及其在乙醇气体探测中的应用。In2O3纳米纤维FET由于其较差的稳定性与性能,从而影响了其在气体探测的进一步应用。本研究采用静电纺丝方法制备了基于Yb掺杂的In2O3(InYbO)纳米纤维FET的乙醇气体传感器。当Yb掺杂浓度为4 mol.%时,纳米纤维FET表现出更优异的电学性能,高迁移率为6.67 cm~2/Vs,阈值电压为3.27 V和开/关电流比为10~7,并具有较好的PBS稳定性,ΔVTH低至1.79 V。该InYbO纳米纤维FET传感器对乙醇气体浓度显示出高响应,在探测10 ppm乙醇气体浓度时,传感器的响应值高达40,明显高于当前报道的乙醇气体传感器。更可喜的是,InYbO纳米纤维FET传感器还表现出1 ppm的低限检测和较高的气体选择性与稳定性。(4)绿色溶剂处理的有序InNdO纳米纤维场效应晶体管的构筑及其在丙酮气体传感器中的应用。FET中的MOSs纳米纤维基本都是以无序的形式存在的,这限制了气体传感性能的进一步提高。此外,所用的前驱体溶剂都是有机有毒溶剂。在本工作中,我们提出了绿色溶液处理的静电纺丝技术来构造Nd掺杂的In2O3有序纳米纤维阵列。受益于良好的电子传输,基于有序的InNdO纳米纤维FET的迁移率和开/关电流比高达5.5 cm~2/Vs和10~7。该器件在室温下对丙酮气体表现出卓越的探测性能,具有极高的响应度(88在4 ppm下),快速的响应和恢复时间(31/53 s),相对较低的检测下限(69 ppb)和出色的选择性。
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