二氧化硅/石墨烯/氮化硼结构压力传感器键合机理及应变行为研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ywdiy_cn
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石墨烯和六方氮化硼(h-BN)层状材料的垂直堆叠组成的范德瓦尔斯异质结构,是制造高质量石墨烯器件的理想模型。当石墨烯/h-BN异质结构受到压力作用时,电阻会发生明显的变化。本论文提出一种新型压力传感器的结构,在Si/Si O2衬底上用石墨烯/h-BN异质结构作为压力敏感薄膜,压力空腔形状设计为棱台型。在Si衬底表面沉积一层Si O2作为绝缘层,将导电的Si与异质结构薄膜绝缘,作为石墨烯/h-BN压力传感器的衬底,并在该层刻蚀出压力空腔,石墨烯/h-BN异质结构敏感薄膜附在Si O2层上。当石墨烯/h-BN异质结构的敏感薄膜受到外界的压力作用时,由于机械变形导致应力变形,异质结构会产生压阻效应,电阻值发生变化,采用惠斯通电桥直接可以检测到对应的压力值,进而通过计算机等设备将压力传感信息显示出。石墨烯/h-BN异质结构压力传感器属于MEMS传感器,首先,本文通过分子动力学模拟的方法,从分子原子层面得到了石墨烯和石墨烯/h-BN异质结构的应力-应变关系,取线弹性部分,拟合出弹性模量数值,发现单层石墨烯的弹性模量约为907GPa,随着石墨烯层数的增多和温度的升高时,弹性模量数值都会变小。进而分析了石墨烯/h-BN异质结构的力学特性和温度特性,得出异质结构的弹性模量为1343GPa,异质结构的力学参数对温度的敏感性比石墨烯低。其次,根据密度泛函理论和Material Studio软件程序包CASTEP分析了石墨烯/h-BN异质结构键合时的能量变化以及三种不同构型的几何优化,得出AB型(一个碳在氮上,另一个在六方氮化硼的中心)为最优构型,带隙打开最大为3.803e V。计算得到了此构型的能带结构与态密度。最后,通过有限元仿真分析软件ANSYS研究了不同形状压力空腔和不同石墨烯/h-BN异质结构敏感薄膜厚度的压力敏感特性,结果显示矩形棱台空腔的中心形变位移最大,传感器的灵敏度也更高,当矩形空腔的长宽比为1.23左右时,压力传感器的压力敏感特性更好,测量低压的准确度更高。当异质结构敏感薄膜厚度在20-40nm时中心形变位移随着异质结构敏感薄膜厚度的增加而迅速减小,减小幅度明显,但当异质结构敏感薄膜厚度大于80nm时,变化较为缓慢。这些结果为石墨烯/h-BN异质结构压力传感器的设计与制作提供了一定的理论基础与依据。
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