掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响
第27卷 第7期2006年7月
半 导 体 学 报
C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICON
D U C TO RS
Vol.27 No.7
J uly ,2006
通信作者.Email :me sut @https://www.360docs.net/doc/be9978209.html, 2005212210收到,2006202210定稿
Ζ2006中国电子学会
掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响
揣荣岩1,2, 刘晓为1 霍明学1 宋明浩1 王喜莲1 潘慧艳1
(1哈尔滨工业大学M EMS 中心,哈尔滨 150001)(2沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳 110023)
摘要:为有效利用多晶硅纳米薄膜研制M EMS 压阻器件,本文对L PCV D 多晶硅纳米薄膜应变系数与掺硼浓度的
关系进行了研究,并利用扫描电镜和X 射线衍射实验分析了薄膜的结构特点.结果表明:在重掺杂情况下,纳米薄膜的应变系数明显大于相同掺杂浓度下单晶硅的应变系数,而且掺杂浓度在215×1020cm -3左右时,应变系数具有随掺杂浓度升高而增大的趋势.对这种实验结果依据隧道效应原理进行了理论解释,提出了多晶硅压阻特性的修正模型.
关键词:多晶硅;纳米薄膜;压阻特性;隧道效应;应变系数EEACC :2520C PACC :7280C 中图分类号:O 738 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)0721230206
1 引言
作为压阻材料,多晶硅薄膜在微电子机械系统(M EMS )中应用广泛,尤其在高温压阻器件方面表现出极好的物理特性.适当控制成膜工艺条件,多晶硅薄膜还可表现出稳定性高和非线性度低的优点,其压阻灵敏度通常可达到单晶硅的60%左右[1,2].
随着纳米技术的发展,厚度在100nm 以下的多晶硅纳米薄膜的压阻特性倍受关注.多晶硅纳米薄膜与衬底结合稳固,且两者具有极好的应变一致性,有利于提高多晶硅压阻器件的精度,改善重复性与迟滞特性.现有的多晶硅压阻理论认为:薄膜越薄,晶粒越小,多晶硅的应变系数就越小,从而导致此方面的研究较少,国内几乎没有相关报道.然而,实验结果表明:在重掺杂情况下,晶粒较小的多晶硅纳米薄膜不但比大晶粒薄膜具有更大的应变系数,而且比相同掺杂浓度的单晶硅的应变系数更大,具有良好的应用前景.为此,本文针对膜厚在28～90nm 范围内的(低压化学气相淀积L PCV D )多晶硅纳米薄膜进行了压阻特性的研究,在实验基础上说明了应变系数与掺杂浓度的关系(G 2N 关系),为多晶硅纳米薄膜力敏元件的研发提供了必要的理论和实验基础.
2 基于现有理论的G 2N 关系
现有压阻理论在处理压阻特性与掺杂浓度关系
时,往往通过数学方法给出两者间复杂的定量函数关系[3,4].这种复杂的函数关系很难表现出其中的物理意义.虽然这些定量关系在一定程度上与相应的实验结果吻合,但不同条件下制作的多晶硅薄膜在结构和压阻特性上存在差异,这些理论分析很难定量地满足各种条件下的实验结果.换言之,这种定量关系仅对多晶硅压阻器件的研制起定性的指导作用.因此,本文采用定性的方法对应变系数随掺杂浓度变化的微观机理进行分析,给出多晶硅薄膜基于现有理论的G 2N 关系.
2.1 掺杂浓度对p 型单晶硅应变系数的影响
多晶硅由晶粒和晶界组成,通常认为多晶硅的压阻特性主要源于具有单晶结构的晶粒[5,6],因此首先分析掺杂浓度对p 型单晶硅应变系数的影响.
单晶硅价带顶E v 附近存在两种E 2k 关系,由两个能带重叠而成,其压阻特性被认为是这两个能带在应力作用下分离退耦的结果[7,8].如图1所示,上面一条E 2k 关系曲线所对应能带的空穴有效质量与下面一条曲线对应能带的空穴有效质量不同,分别为m 1和m 2.对于掺杂浓度较低的非简并p 型硅,由半导体物理可知两种空穴的浓度分别为:
p 1=N v 1exp (E v -E F
k 0T )(1)p 2=N v 2exp (
E v -E F
k 0T
)(2)
其中 N v1和N v2分别为两个能带的空穴有效状态
密度;E F 为费米能级;k 0为玻耳兹曼常数;T 为绝对
第7期揣荣岩等:
掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响
温度
.
图1 应力退耦引起价带顶能带变化
Fig.1 Shift of valence band by stress decouple
当晶体受到应力作用时,两个价带顶分裂,分别
变为E v +Δ1和E v +Δ2,费米能级变为E ′F ,则在应力作用下两种空穴浓度的比例由原来的N v1/N v2变为:
p 1
p 2
=N v 1exp
(E v +Δ1-E ′F k 0T )
N v 2exp (
E v +Δ2-E ′F
k 0T )=N v 1N v 2
exp
Δ1-Δ2
k 0T (3)
在常温下,对于掺杂浓度较低的非简并硅单晶,可认为杂质全部电离,即
p 1+p 2=N A
(4)其中 N A 是掺入的受主浓度.虽然空穴总量不变,但由于两种空穴有效质量不同,因此迁移率不同,所以应力引起的两种空穴的比例变化必然导致电阻率的变化,从而产生压阻效应.
由(3)式可见,在非简并条件下,应力引起的两种空穴浓度变化后的比率与掺杂浓度无关.因此,在有效质量和平均自由时间近似不变的情况下(非简并条件下这种近似是合理的),电阻率的相对变化量不随杂质浓度变化.也就是说,在掺杂浓度较低的非简并条件下,单晶硅的应变系数G g 基本上不随掺杂浓度变化.
对于重掺杂的简并p 型硅,若费米能级进入价带且E v -E F μk 0T ,则在估算空穴浓度时,可近似认为k 空间中费米能级对应的空穴等能面内的电子状态全满,等能面外的状态全空.即空穴浓度和费米能级对应的等能面围成的体积成正比,同时近似认为空穴浓度与受主浓度成正比.根据半导体物理,该等能面对应的k 空间体积与(E v -E F )3/2成正比,即,
p 1∝p 2∝(E v -E F )3/2
∝N A
(5)将(5)式对E v 微分,可得应力引起两种空穴的浓度变化量分别为:
Δp 1∝(E v -E F )1/2Δ1∝N 1/3
A Δ1
(6)Δp 2∝(E v -E F )1/2Δ2∝N 1/3
A Δ2
(7)所以在应变一定时,电导率变化量与受主浓度的关系为:
|Δσ|∝N 1/3
A
(8)考虑到无应变时的电导率σ∝N A ,可得在重掺杂条件下,应变系数G g 与掺杂浓度的关系为:
|G g |∝Δσσ
∝N -2/3
A (9) 综合以上两方面的分析可知,在掺杂浓度较低的非简并条件下,p 型单晶硅的应变系数基本上不随掺杂浓度变化,弱简并后,G g 随N A 增加而逐渐减小,当N A 达到重掺杂强简并后,G g 逐渐变成与N -2/3A 成正比.室温下,硅单晶中掺硼浓度N A 达到115×1018c m -3左右时,开始弱简并,达到9×1019
cm -3
左右时,E F 开始进入价带.因此掺硼浓度在1018cm -3之下,G g 基本不变,之后开始逐渐随N A 增加而减小,并在9×1019cm -3左右G g
开始变成与N -2/3A 成正比,如图2所示.这一结论与Ka nda 通过详细的数学推导和数值计算给出的结果基本一致[3].
图2 p 型硅应变系数与掺杂浓度的定性关系
Fig.2 Qualitative relationship betwee n G g and imp u 2rity concent ration of p 2type Si
2.2 掺杂浓度对p 型多晶硅薄膜应变系数的影响
在计算多晶硅应变系数时,通常采用对单晶硅
的压阻系数在所有可能的晶粒取向上求平均的方法[5].在此基础上French 和Evens 等人利用热电子发射理论推导出耗尽区应变系数的公式,并于1985年[9]发表了多晶硅压阻效应的修正理论.之后的研究[4,10,11]主要是在这些理论模型基础上进行的.
在一维情况下,多晶硅的基本单元由晶粒中性区和势垒区(含晶界及其两侧的耗尽区)构成.从定性角度看,整个多晶硅薄膜的压阻特性和每个单元相似.单元应变系数可表示为:
G c =
R g G g R g +R b +
R b G b
R g +R b
(10)
1
321
半 导 体 学 报第27卷
式中 G g ,R g 分别为晶粒中性区的应变系数和电
阻;G b ;R b 分别为势垒区的应变系数和电阻.
若把G g ,G b 看作常数,且G g >G b ,则由(10)式可以看出多晶硅的应变系数随R b 与R g 比值的减小而增大.由于势垒高度和宽度均随掺杂浓度增加而减小,利用热电子发射理论可知,随着掺杂浓度的增加,R b 比R g 的下降速度更快[12].因此,单元应变系数随掺杂浓度的增加而增加,如图3所示
.
图3 G g 与G b 不变条件下G c 与N A 的定性关系
Fig.3 Qualitative relationship between G c and N A (Supposing that G g and G b are constants 1)
然而G g 和G b 均随掺杂浓度而变化,利用French 和Evens 关于耗尽区的压敏模型[9,13]可知G b 与G g 成正比,只是G b 较小,即它们与掺杂浓度的定性关系相似.所以将图3和图2相结合就得到了多晶硅应变系数G 与受主浓度N A 间的定性关系,如图4所示
.
图4 多晶硅应变系数与受主浓度的定性关系
Fig.4 Qualitative relationship between gauge factor and acceptor density of polysilicon
从实验方面看,French 和Evans [6],Schubert 等人[4]以及Gridchin 等人[10]的研究结果均在不同程度上支持了这种定性关系.但是他们的研究主要针对膜厚和晶粒度较大的多晶硅薄膜.Schubert 等人[4]计算了随机织构多晶硅的应变系数,在晶粒尺度为120nm ,掺硼浓度为215×1019cm -3时,其纵向应变系数为2416.按现有理论,对于晶粒较小的纳米薄膜而言,应变系数应该更小.然而,本文的实验结果(参见后文)和Le Berre 等人[11]的结果相近,应
变系数均达到了30以上甚至更大.这说明现有的多晶硅压阻理论还不完善,需要对多晶硅纳米薄膜的压阻特性进行深入的实验研究.
3 实验与测试结果
选用(100)晶面的单晶硅片作衬底制作测试样
品.衬底经氧化形成018
μm 的氧化层后,利用L PCVD 法,在625℃下淀积多晶硅薄膜;掺硼后,用光刻工艺沿〈110〉晶向制成纵向和横向分布的多晶硅纳米薄膜电阻;最后,沿〈110〉晶向划片制成悬臂梁用于测试压阻特性.
对于测试多晶硅纳米薄膜G 2N 关系的样品,膜厚控制在60～70nm.采用离子注入技术对测试样品进行硼掺杂,注入能量为20keV ,注入剂量范围是213×1014～519×1015cm -2,退火条件为:900℃,60min.测试结果如图5所示,图中每个应变系数的实验数据是5～17个相同试验样品测试结果的平均值
.
图5 室温下多晶硅纳米薄膜应变系数与掺硼浓度的关系
Fig.5 Relationship between gauge factor and B 2doped concentration of polysilicon nano 2film at room tempera 2ture
为说明膜厚对应变系数的影响,淀积了膜厚分别为28,40,60,90nm 的4种多晶硅薄膜,采用1080℃、氮气保护固态源扩散工艺进行硼掺杂,掺杂浓度约为213×1020cm -3.测试结果如图6所示,图中每个应变系数的实验数据分别由8～12个相同试验样品测试结果取平均得来.
扫描电镜(SEM )观测和X 射线衍射实验分析表明:L PCVD 多晶硅纳米薄膜具有随机取向的晶粒分布;对于28和40nm 厚的薄膜,晶粒度分别在15～20和20～30nm ;对于60～90nm 厚的薄膜,晶粒尺度均在40～50nm ,几乎不随膜厚增加而增长.
2
321
第7期揣荣岩等:
掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响
图6 室温下掺硼多晶硅纳米薄膜纵向应变系数与膜厚的关
系
Fig.6 Relationship between longitudinal gauge factor and thickness of polysilicon nano 2film at room tempera 2ture
4 讨论与分析
对于膜厚为几百纳米、晶粒度为120nm 以上的多晶硅薄膜,当掺杂浓度达到1020cm -3时,应变系数在12左右[4,6].由图6可见:膜厚减为90nm 时,晶粒度降为40～50nm ,应变系数可达到34左右;膜厚减小到60nm 而晶粒度几乎不变情况下应变系数也几乎没变.所以应变系数的变化并不是由膜厚的纳米尺度效应直接引起的,而是通过晶粒尺度变化引起的.膜厚小于100nm 时,膜厚的纳米尺度效应直接导致了单晶硅薄膜压阻特性的变化[14];但对于本文研究的多晶硅纳米薄膜,晶粒尺度比膜厚更小,晶粒大小成为决定压阻效应的主要因素,因此膜厚将通过晶粒大小的改变间接影响压阻特性.图6的实验结果还表明当膜厚减小到40nm 时,晶粒度较小应变系数也较小,这应该是由于晶粒生长不充分、晶粒间界较大造成的.当膜厚减小到28nm 时,晶粒度更小应变系数却有所变大,这可以认为是由于10nm 以下的小晶粒增多造成的.小晶粒成分的增多使薄膜在一定程度上具备了纳晶硅(晶态比在50%左右,晶粒度在4～8nm )高应变系数的特点.
由图5的实验数据可见,掺杂浓度为1020cm -3
时,随机取向的多晶硅纳米薄膜的纵向应变系数大约为31(比图6的结果略小,原因在于掺杂方式不同).由(10)式可知,此时的应变系数近似等于晶粒中性区的应变系数G g 和势垒区的应变系数G b 按阻值的加权平均值.对于掺杂浓度为1020cm -3随机取向的晶粒中性区,结合Erskine 和Kanda 的计算结果[5,3],可估算出其应变系数约为11.由此可见势垒区的应变系数G b 比晶粒中性区的应变系数G g (可视为单晶硅的应变系数)大许多.而穿过势垒区的热电子发射电流产生的应变系数仅为晶粒中性区
的应变系数G g 的一半左右[9,13],所以必然还有其他更显著的因素导致势垒区的应变系数大于G g .
通常流过势垒区的电流可能有三种:扩散、热电子发射和隧道贯穿电流.在势垒区宽度仅有几个纳米的重掺杂情况下,扩散理论已不再适用,可不考虑扩散电流,但必须考虑隧道电流.事实上,重掺杂情况下流过势垒区的电流以隧道电流为主.这一点可以通过硅单晶与金属欧姆接触的结论来证明[15].Jo shi 等人[16]在系统总结多晶硅导电特性实验结果的基础上,得到了关于多晶硅电流组成的结论:掺杂浓度达到1018cm -3时,隧道电流逐渐开始起作用,在掺杂浓度达到1019以后,隧道电流通常会超过热电子发射电流.从下面的分析可以看出,隧道电流会随应变而变化从而带来势垒区的压阻效应(称之为隧道压阻效应),而且这种效应在重掺杂情况下极为显著.所以本文认为:这主要是由于忽略隧道压阻效应导致了现有多晶硅压阻理论严重偏离于多晶硅纳米薄膜的实验结果.4.1 隧道压阻效应
利用量子力学的方法,可求得势垒边缘价带顶的空穴通过隧道效应贯穿势垒的隧道几率为:
P =exp
-4πh
(2m p )1/2∫
2W+δ
[qV (x )]
1/2
d x (11)
其中 m p 是空穴有效质量;h ,q ,W ,δ分别是普朗克常数、基本电荷量、耗尽层宽度和晶界厚度.在掺杂浓度较高的情况下,晶界陷阱被空穴饱和形成势垒区的正电荷,其面密度用Q t 表示.将Q t 看作常量,根据耗尽层近似可求出电势分布V (x )的数学表达式.在忽略晶界厚度δ情况下,将V (x )的表达式带入(11)式可得:
P =exp -πqQ 2t
h (εr ε0)
1/2
m p N 3A 1/2
(12)其中 εr 和ε0分别是硅的相对介电常数和真空介电常数.由(12)式可见,当N A 增加使隧道几率P 增大到一定程度后,会导致势垒电流以隧道电流为主.如前所述,在应力作用下简并的价带顶分离退偶导致一部分空穴的有效质量发生变化.由(12)式可见有效质量的变化必然引起隧道几率变化,导致隧道电流的变化,从而形成隧道压阻效应.隧道几率P 与m p 成指数关系,所以这种压阻效应更为显著.
基于隧道压阻效应可提出多晶硅压阻特性的修正模型来解释本文的实验结果.考虑隧道电流后,流过势垒的电流可看作隧道电流和热电子发射电流并联,等效电路如图7所示.其中R T 是热电子发射电流决定的发射电阻,R t 是隧道电流决定的隧道电阻,两者并联构成势垒区总电阻.修正后的模型认为
3
321
半 导 体 学 报第27卷
R t ,R T 与晶粒中性区电阻R g 三者都有压阻效应,共
同决定了多晶硅的压阻特性,而且三者的压阻效应
都是由于应力引起价带顶的两个能带退耦分离产生的,因此三者的应变系数随掺杂浓度的增加应该具有相似的衰减规律.通过前面的讨论已经知道:重掺杂情况下,多晶硅纳米薄膜的应变系数比晶粒中性区大许多.可见,势垒区的应变系数比相同掺杂浓度下的单晶硅大许多,而发射电阻R T 的应变系数仅为晶粒中性区应变系数的一半左右.所以隧道电阻R t 的应变系数G t 应远大于晶粒中性区的应变系数G g
.
图7 多晶硅压阻特性修正模型的等效电路
Fig.7 Equivalent circuit of modified model for pie 2
zoresistive properties of polysilicon
4.2 修正模型对G 2N 关系的解释
在掺杂浓度较低的情况下,多晶硅纳米薄膜晶粒中性区的电阻远小于势垒区[12],势垒区电阻由热电子发射电流决定,近似等于R T .也就是说,掺杂浓度较低时纳米薄膜的应变系数由G T 决定,其数值较小.当掺杂浓度升高到1018cm -3以上时,隧道电流开始表现出来并逐渐增大[16],会导致纳米薄膜的应变系数逐渐增大.掺杂浓度超过1019cm -3之后,随着势垒电阻的显著减小,晶粒中性区应变系数贡献的逐渐增大,隧道压阻效应的作用开始减弱,结果纳米薄膜的应变系数G 将出现极大值,之后随着
N A 的增大而减小.当掺杂浓度超过1020cm -3
之后,随着耗尽层宽度W 的减小,势垒区宽度将主要由晶界厚度δ构成,因此势垒区宽度不再随掺杂浓度的增加而显著减小,导致隧道电阻R t 减小的速度要明显慢于晶粒中性区电阻R g 随掺杂浓度的增加而减小的速度,结果隧道压阻效应的作用又开始增强,从而使纳米薄膜的应变系数表现出增大的趋势.但这种趋势较为平缓,原因在于隧道电阻的应变系数和单晶硅类似也会随掺杂浓度的增加而减小,从而补偿了这种增大的趋势.以上利用修正模型对多晶硅纳米薄膜的G 2N 关系进行了分析,并在图5中画出了定性关系曲线.由图5可见,多晶硅纳米薄膜定性的G 2N 关系曲线与实验结果拟合后基本一致.
修正模型不但可以解释本文纳米薄膜的实验结果,也可解释晶粒较大的多晶硅薄膜的G 2N 关系.对于晶粒较大的多晶硅薄膜,晶粒中性区的应变系数将在相对较低的掺杂浓度下开始起作用.例如,对
于粒度大于120nm 的多晶硅薄膜,掺杂浓度超过1018cm -3时,中性区体电阻的作用将会逐渐变得显著起来[12],中性区的压阻效应开始逐渐起作用.这将削弱隧道压阻效应,结果会使多晶硅应变系数的峰值向掺杂浓度低的方向偏移.因此,随着晶粒度进一步增大,最终可以忽略隧道压阻效应的作用,导致G 与N A 的关系与原来压阻模型一致.但是,当掺杂浓度达到1020cm -3之后,中性区电阻非常小,此时隧道压阻效应不可忽略,因此应变系数随掺杂浓度增加而减小的趋势应该变缓,这会导致现有理论在厚膜大晶粒情况下也出现偏差.在Schubert 等人[4]给出的应变系数与掺杂浓度关系曲线中,当掺杂浓度接近1020cm -3时,他们计算的应变系数开始明显小于实验结果,其原因主要应该是没有考虑隧道压阻效应的结果.
5 结论
在对多晶硅压阻理论定性分析的基础上,通过实验发现:对于晶粒度在40～50nm 左右的多晶硅纳米薄膜,掺硼浓度在215×1019cm -3左右时,应变系数一般在30～40之间;随着掺杂浓度的继续升高应变系数并不是单调下降,掺杂浓度在215×1020cm -3左右时,应变系数具有随浓度升高而增大的趋势.膜厚的变化也可引起纳米薄膜应变系数的变化,实验结果表明,应变系数的变化并不是膜厚的纳米尺度效应直接引起的,而是通过晶粒尺度变化引起的,在晶界状况不变条件下,重掺杂多晶硅的晶粒愈小应变系数愈大.
依据隧道效应提出的多晶硅压阻特性的修正模型不但解释了本文关于纳米薄膜的实验结果,还更全面地说明了膜厚和晶粒度较大情况下多晶硅的压阻特性.当多晶硅纳米薄膜的电流主要由隧道电流决定时,由于隧道几率与温度没有直接关系,所以薄膜的电阻温度系数较小,有更好的压阻温度特性.这一点对于优化设计多晶硅薄膜压阻器件具有重要意义.有关这方面的研究以及利用修正模型定量分析多晶硅压阻特性的研究正在进行之中,将在随后的论文中给出.参考文献
[1] Gridchin V A ,Lubimsky V M ,Sarina M P.Polysilicon st rain
gauge transducers.Sensors and Actuators ,1992,A30:219
[2] Suski J ,Mosser V ,G oss J.Polysilicon SOI pressure sensor.
Sensors and Actuators ,1989,17:405
[3] Canda Y.A graphical representation of t he piezoresistance co 2
efficient s in silicon.IEEE Trans Electron Devices ,1982,29:64
[4] Schubert D ,J enschke W ,Uhlig T ,et al.Piezoresistive proper 2
ties of polycrystalline and crystalline silicon films.Sensors and
4
321
第7期揣荣岩等: 掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜应变系数的影响
Actuators,1987,11:145
[5] Erskine J C.Polycrystalline Si2on2metal st rain gauge trans2
ducers.IEEE Trans Elect ron Devices,1983,30:796
[6] French P J,Evens A G R.Piezoresistance in polysilicon.Elec2
tron Lett,1983,20:999
[7] Adams E N.Elastoresistance in p2type Ge and Si.Phys Rev,
1954,96:803
[8] Pikus G E,Bir G L.Cyclotron and paramagnetic resonance in
strained crystals.Phys Rev Lett,1961,6:103
[9] French P J,Evens A G R.Polycrystalline silicon strain sen2
sors.Sensors and Actuators,1985,8:219
[10] Gridchin V A,Lubimsky V M,Sarina M P.Piezoresistive
properties of polysilicon films.Sensors and Actuators,1995,
A49:67
[11] Le Berre M,Lemiti M,Barbier D,et al.Piezoresistance of bo2
ron2doped PECVD and L PCVD polycrystalline silicon films.
Sensors and Actuators,1995,A46:166[12] Lu N C C,Gerzberg L,Lu C Y,et al.Modeling and optimiza2
tion of monolit hic polycrystalline silicon resistors.IEEE Trans
Elect ron Devices,1981,28:818
[13] Liu Xiaowei,Huo Mingxue,Chen Weiping,et al.Theoretical
research on piezoresistive coefficient s of polysilicon films.Chi2
nese Journal of Semiconductors,2004,25(3):292(in Chinese)
[刘晓为,霍明学,陈伟平,等.多晶硅薄膜压阻系数的理论研
究.半导体学报,2004,25(3):292]
[14] Ivanov T,G ot szalk T,Sulzbach T,et al.Quantum size aspect s
of t he piezoresistive effect in ultra t hin piezoresistors.Ult ra2
microscopy,2003,97:377
[15] Sze S M.Semiconductor devices physics and technology.New
Y ork:John Wiley&Sons,1985:169
[16] Joshi D P,Srivastava R S.A model of electrical conduction in
polycrystalline silicon.IEEE Trans Electron Devices,1984,31
(7):920
Influence of Doping Level on the G auge F actor of Polysilicon N ano2Film
Chuai Rongyan1,2, ,Liu Xiaowei1,Huo Mingxue1,So ng Minghao1,Wang Xilian1,and Pan Huiyan1
(1M EM S Center,Harbin I nstit ute of Technology,Harbin 150001,China)
(2School of I nf ormation S cience and Engineering,S heny ang Uni versit y of Technolog y,S heny ang 110023,China)
Abstract:For t he p urp ose of aiding t he develop me nt of eff ective M EMS st rain sensors using p olysilicon na no2film,we inves2 tigate t he relationship betwee n t he B2dop ed concent ration a nd t he gauge f act or of L PCV D2grow n p olysilicon nano2film and analyze t he st ructure of t he film via scanning elect ron p hot omicrograp hs a nd X2ray diff raction2sp ect ra.Exp erime nts show t hat under a heavy doping condition,t he gauge f act or of t he nano2film is significa ntly larger t ha n t hat of monocrystalline sili2 con wit h t he sa me doping level,a nd w hen t he doping conce nt ration is around215×1020cm-3,t he gauge f act or of t he film in2 creases wit h t he increase of t he doping concent ration.These results are explained by t he tunneling eff ect.A modified model of piezoresistive p rop erties f or p olysilicon is t he n p resented const ructively.
K ey w ords:p olysilicon;nano2film;piezoresistive p roperty;tunnel eff ect;gauge f act or
EEACC:2520C PACC:7280C
Article ID:025324177(2006)0721230206
Corresp onding aut hor.Email:me sut@https://www.360docs.net/doc/be9978209.html,
Received10Dece mber2005,revised manuscrip t received10February2006Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics
5321
碳纳米管纳米材料的应用要点
碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas，especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着
纳米材料的制备方法
1化学气相沉积法 1.1化学气相沉积法的原理 化学气相沉积法(Chemical Vapour Deposition (CVD) )是通过气相或者在基板表面上的化学反应，在基板上形成薄膜。化学气相沉积方法实际上是化学反应方法，因此。用CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜，也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料，而且即使是高熔点物质也可以在很低的温度下制备。 用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料、包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。采用各种反应形式，选择适当的制备条件——基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜构料。化学气相沉积的化学反应形式．主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。 化学气相沉积法制备纳米碳材料的原理是碳氢化合物在较低温度下与金属纳米颗粒接触时通过其催化作用而直接生成。化学气相沉积法制备碳纳米管的工艺是基于气相生长碳纤维的制备工艺。在研究气相生长碳纤维早期工作中就己经发现有直径很细的空心管状碳纤维，但遗憾的是没有对其进行更详细的研究[4]。直到Iijima在高分辨透射电子显微镜发现产物中有纳米级碳管存在，才开始真正的以碳纳米管的名义进行广泛而深入的研究。 化学气相沉积法制备碳纳米管的原料气，国际上主要采用乙炔，但也采用许多别的碳源气体，如甲烷、一氧化碳、乙烯、丙烯、丁烯、甲醇、乙醇、二甲苯等。在过渡金属催化剂铁钴镍催化生成的碳纳米管时，使用含铁催化剂，多数得到多壁碳纳米管；使用含钴催化剂，大多数的实验得到多壁碳纳米管；过渡金属的混合物比单一金属合成碳纳米管更有效。铁镍合金多合成多壁碳纳米管，铁钴合金相比较更容易制得单壁碳纳米管。此外，两种金属的混合物作为催化剂可以大大促进碳纳米管的生长。许多文献证实铁、钴、镍任意两种的混合物或者其他金属与铁、钴、镍任何一种的混合物均对碳纳米管的生长具有显著的提高作用，不仅可以提高催化剂的性能，而且可以提高产物的质量或者降低反应温度。催化裂解二甲苯时，将适量金属铽与铁混合，可以提高多壁碳纳米管的纯度和规则度。因而，包括像烃及一氧化碳等可在催化剂上裂解或歧化生成碳的物料均有形成碳纳米管的可能。Lee Y T 等[5]讨论了以铁分散的二氧化硅为基体，乙炔为碳源所制备的垂直生长的碳纳米管阵列的生长机理，并提出了碳纳米管的生长模型。Mukhopdayya K等[6]提出了一种简单而新颖的低温制备碳纳米管阵列的方法。该法以沸石为基体，以钴和钒为催化剂，仍是以乙炔气体为碳源。Pna Z W等[7]以乙炔为碳源，铁畦纳米复合物为基体高效生长出开口的多壁碳纳米管阵列。 1.2评价 化学气相沉积法该法制备的纳米微粒颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，工艺可控和连续，可对整个基体进行沉积等优点。此外，化学气相沉积法因其制备工艺简单，设备投入少，操作方便，适于大规模生产而显示出它的工业应用前景。因此，化学气相沉积法成为实现可控合成技术的一种有效途径。化学气相沉积法缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相沉积法是纳米薄膜材料制备中使用最多的一种工艺，广泛应用于各种结构材料和功能材料的制备。用化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属，氧化物、氮化物、碳化合物、复合氧化物等膜材料。总之，随着纳米材料制备技术的不断完善，化学气相沉积法将会得到更广泛的应用。
南洋理工大学材料科学与工程学院研.doc
南洋理工大学材料科学与工程学院研究领域详解学校名称： 新加坡南洋理工大学 Nanyang Technological University 所在位置：新加坡 创建时间：1991
QS排名：55 在您在材料科学与工程学院的日子里，你将会有丰富的知识和技能。我们的目标是让每个学生充分利用材料科学与工程学院的每一项资源，成为具备未来所需技能的领导者，跟着一起来了解一下该学院的研究领域吧。 一、专业纵览
你将会有：材料领域的专业知识;清晰的心灵解决任何问题;精明地传达思想和想法;燃烧激情，实现超越已知能力;在不懈的进步中怜悯。最后一个属性可以完成材料科学与工程学院教育，这就是为了达到你想要的目标而采取的行动。在材料科学与工程学院，我们将为您提供学习的机会。通过您的主动性，参与度和愿望，您可以从经验中获得最大收益。 二、学院使命和愿景 通过不同学科的广泛教育培养创意和企业家领导者成为一所以科学技术为基础的伟大的全球性大学;为了与大学的使命和愿景保持一致，材料科学与工程学院学院制定了以下使命和愿景。 十年来，教育和激励全球联系和跨学科培训的材料科学家和工程师。创造智力价值，激发基于需求的研究，并将科学和技术转化为市场。成为全球领先的材料科学与工程机构。 成为全球领先的材料科学与工程机构，十年来，教育和激励全球联系和跨学科培训的材料科学家和工程师，创造知识价值，激发基于需求的研究，并将科学和技术转化为市场。
三、研究纵览 材料科学与工程学院(材料科学与工程学院)为员工和学生提供了一个充满活力和培养的环境，以便在以下关键领域开展跨学科研究：生物材料和生物医学设备;计算材料科学;国防材料;功能材料和复合材料;可持续发展材料;纳米电子学，纳米材料和多铁学，材料科学与工程学院配备了各种类型的设备和设备，用于教学和广泛的研究用途。 以下是我们的实验室和设施：生物材料;光伏联合实验室;仿生传感器科学中心;电子空间和电子学习工作室;级表征，测试和模拟设施;无机材料表征;材料加工;纳米材料;生物医学实验室;有机材料服务实验室;太阳能燃料实验室。 四、研究领域 研究是材料科学与工程学院最重要的支柱。它将推动我们的增长数量和质量。我们强调对所有教职员工的研究，并鼓励我们的本科生在他们任职的早期参与研究课程。我们通过与世界一流机构的交流课程和联合学位课程，继续寻找
碳纳米管基薄膜材料报告
碳纳米管基薄膜材料报告 引言： 碳纳米管是典型的一维纳米材料，自1991年被发现以来，由于其优异的力学性能、电学特性、极高的热导率、良好的热稳定性和化学稳定性等特点，都使其在纳米结构及功能复合材料、场效应晶体管、透明电极、锂离子电池、超级电容器等诸多领域中具有广阔的应用前景，受到人们的广泛关注。其具有特异的物理和化学性能，是由石墨层片卷曲后形成的无缝管，在范德华力作用下可形成2种不同的晶体结构：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。研究表明，只有将碳纳米管组装成宏观材料，如薄膜，才能充分发挥碳纳米管的优越性能，实现其潜在应用。因此，如何连续制备碳纳米管薄膜并保持单根碳纳米管的优良性能就成为了科学界和产业界人士的共同梦想。 一、制备方法 碳纳米管可以通过电弧法、化学气相沉积法和激光烧蚀法等方法直接在各种衬底上生长。在实际应用上，需将碳纳米管在低温情况下沉积到诸如ITO 玻璃、柔性透明薄膜上以实现大面积制备。这种需求可以通过溶液法将碳纳米管沉积到衬底上来实现场致电子发射的冷阴极也可以通过溶液法制备。但碳纳米管和衬底 间的附着力较差，从而成为阻碍溶液法制备均匀碳纳米管薄膜的一个关键问题。单壁碳纳米管 多壁碳纳米管
为了克服此缺陷，在沉积碳纳米管之前，需要在衬底上覆盖一层缓冲层来提高碳纳米管与衬底之间的粘附性。 目前制备碳纳米管薄膜的方法有很多，主要有：化学气相沉积法、电泳沉积法、电弧放电法、浇铸法、层-层吸附自组装法、电化学沉积法、自组装成膜法、浸渍涂布法、改性表面吸附法、过滤-转移法和LB技术等方法。 但是这些方法在制备过程中需要高温作用、表面活性剂、催化剂，设备昂贵，制备过程较为复杂。所以本文主要介绍一种由喷涂和旋涂相结合的方法，在优化工艺参数的条件下，可以制备出透明导电碳纳米管薄膜，成本低廉，制备工艺简洁，为其在场发射器件、透明导电薄膜、电磁屏蔽材料等方面的应用提供了有效的理论依据。 1.碳纳米管溶液的制备 取20mg碳纳米管，溶于100 mL无水乙醇中，在室温下，置于超声波清洗器中（通冷却循环水）分散24 h，得到高浓度的分散均匀的碳纳米管溶液，分别配置成不同浓度（0.008、0.010、0.012、0.014mg/mL）的碳纳米管溶液，待用。 2.碳纳米管薄膜的制备 用去离子水、丙酮（分析纯）、无水乙醇（分析纯）依次清洗石英基片，然后在真空干燥箱中烘干备用；用手持式喷雾器将碳纳米管分散液喷洒在石英玻璃衬底上（或采用匀胶机对其进行旋涂），待分散剂自然挥发干燥后，再进行第二层喷涂（或旋涂），如此反复多次，得到不同厚度的碳纳米管薄膜。 3.碳纳米管薄膜的表征 碳纳米管的透射电镜测试：JEM-2010 F 型高分辨率透射电子显微镜. 薄膜的导电性能测试：RTS-8型四探针电阻测试仪. 薄膜的透光率测试：UV-2550型紫外可见分光光度计. 二、实验原理 旋转涂膜是在衬底旋转时利用离心力的作用成膜的。影响薄膜性能的溶液性质主要是流变性能和表面张力，如溶液的粘度、浓度、触变性和表面张力等。影响薄膜厚度的因素也比较复杂。Emslie，Bonner和Pecr等人认为，在简化条件
纳米薄膜材料的制备方法
纳米薄膜材料的制备方法 摘要纳米薄膜材料是一种新型材料,由于其特殊的结构特点,使其作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文综述了近几年来国内外对纳米薄膜材料研究的最新进展,包括对该类材料的制备方法、微结构、电、磁、光特性以及力学性能的最新研究成果。关键词纳米薄膜;薄膜制备; 微结构;性能 21 世纪,由于信息、生物技术、能源、环境、国防 等工业的快速发展, 对材料性能提出更新更高的要求,元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小,航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此, 新材料的研究和创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础,其中由于纳米材料的特殊的物理和化学性能, 以及 由此产生的特殊的应用价值, 必将使其成为科学研究的热点[1]。 事实上, 纳米材料并非新奇之物, 早在1000 多年以前, 我国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑作为墨的原料, 可能就是最早的纳 米颗粒材料;我国古代铜镜表面的防锈层, 经验证为一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜,这大概是最早的纳米薄膜材料。人类有意识的开展纳米材料的研究开始于大约50 年代,西德的Kanzig 观察到了BaTiO3 中的极性微区,尺寸在10~ 100纳米之间。苏联的G. A. Smolensky假设复合钙钛矿铁电体中的介电弥散是由于存Kanzig微区导致成分布不均匀引起的。60 年代日本的Ryogo Kubo在金属超微粒子理论中发现由于金属粒子的电子能级不连续,在低温下, 即当费米
能级附近的平均能级间隔> kT 时, 金属粒子显示出与块状物质不同的热性质[ 4]。西德的H. Gleiter 对纳米固体的制备、结构和性能进行了细致地研究[ 5]。随着技术水平的不断提高和分析测试技术手段的不断进步, 人类逐渐研制出了纳米碳管, 纳米颗粒,纳米晶体, 纳米薄膜等新材料, 这些纳米材料有一般的晶体和非晶体材料不具备的优良特性, 它的出现使凝聚态物理理论面临新的挑战。80 年代末有人利用粒度为1~ 15nm 的超微颗粒制造了纳米级固体材料。纳米材料由于其体积和单位质量的表面积与固体材料的差别,达到一定的极限, 使颗粒呈现出特殊的表面效应和体积效应,这些因素都决定着颗粒的最终的物理化学性能,如随着比表面积的显著增大,会使纳米粒子的表面极其活泼,呈现出不稳定状态,当其暴露于空气中时,瞬间就被氧化。此外, 纳米粒子还会出现特殊的电、光、磁学性能和超常的力学性能。 纳米薄膜的分类 纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质, 目前可以分为两类: ( 1)含有纳米颗粒与原子团簇基质薄膜; ( 2) 纳米尺寸厚度的薄膜, 其厚度接近电子自由程和Denye 长度, 可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。例如, 镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应, 该结构相当于大原子超原子膜材料具有三维特征; 纳米厚度的信息存贮薄膜具有超高密度功能, 这类集成器件具有惊人的信息处理能力; 纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构, 导致磁性材料的饱和磁化强度的减小或增强。对这
纳米材料的主要制备方法
本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级 2008级 姓名贾学伟 设计题目纳米材料的主要制备方法 指导教师闫海龙职称副教授 2012年4月28日 目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 引言 (1) 1.1纳米材料的定义 (1) 1.2纳米材料的研究意义 (2) 2 纳米材料的主要制备方法 (3) 2.1化学气相沉积法 (3) 2.2溶胶－凝胶法 (5) 2.3分子束外延法 (6) 2.4脉冲激光沉积法 (8) 2.5静电纺丝法 (9) 2.6磁控溅射法 (11) 2.7水热法 (12)
2.8其他制备纳米材料的方法 (13) 3 总结 (14) 参考文献 (14) 致谢 (15)
纳米材料的主要制备方法 学生姓名：贾学伟学号： 学院：物理电子工程学院专业：物理学 指导教师：闫海龙职称：副教授摘要：纳米材料由于其特殊的性质，近年来引起人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。本文主要介绍了纳米材料的制备方法,其中包括化学气相沉积法、溶胶—凝胶法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、静电纺丝法、磁控溅射法、水热法等。在此基础上,分析了现代纳米材料制备方法的发展趋势。纳米技术对21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展有重要影响,对生产力的发展有重要作用。 关键词：纳米；纳米材料；纳米科技；制备方法 The preparation method of nanomaterials Abstract：Nanomaterials are attracting intense in recent years. With the development of nanotechnology, nanomaterials preparation method has been more and more mature. The preparation methods sush as, chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy, laser pulse precipitation, sintering, hydrothermal method, sol-gel method are introduced in this paper. New development trend of preparation methods are analysed. N anomaterials will promote the development of IT, medicine, environment, automation technology and energy science, and will have a great influenced on productive in the 21st century. Key words：nanometer；na nomaterials；nanotechnology；preparation 1 引言 1.1纳米材料的定义 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度[1]。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切，当小粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值[2]。
碳纳米管在场发射显示器中的应用及影响
碳纳米管在场发射显示器中的应用及影响 陈凯 06006311 前言： 显示技术作为多学科交叉的综合技术，已经渗透到当今民用和军用的各个领域，发挥着重要的作用。尤其在以网络和无线通讯为标志的信息时代，上下“信息高速公路”均需以显示器作为平台，因而对显示技术的期望值更高。显示技术的产业化将在信息时代得到进一步的发展，并将创造更大的社会财富。 在阴极射线管(CRT)、薄膜晶体管液晶(LCD)、等离子体(PDP)、有机电致发光等诸多显示器件中，CRT器件目前最为成熟，在全球市场上占据主导地位，它具有高亮度、高分辨率、全视角等优点，人们已广泛接受了其色彩和画质，因而它也成为人们衡量其他显示质量的一个无形标准。但CRT存在着体积庞大、笨重、功耗高等缺点。如何保留CRT的色彩与画质，并使CRT数字化、薄型化是科技界与产业界十分关注的问题。而场致发射显示器(FED)，则因为其发光原理上与CRT较为相似，故在是唯一的图像质量可与CRT相媲美的平板显示器，最符合电视特性，并且更易制备出较大显示面积。 然而，经过多年的努力，商品化的场发射显示器仍然难以进于市场。究其原因，在于就场发射显示器的关键技术：阴极电子发射材料而言，传统的尖锥冷阴极加工工艺复杂，使得成品率难以提高，成本很难降低。而碳纳米管阴极的出现，为这一显示技术提供了新的突破点。 一、FED显示器的原理及结构 场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极组件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出,随后吸引后续的研究者投入研发。 其工作原理是：众多的阴极发射体以阵列状排列，每一个像素对应于一个或若干个发射体。在强电场作用下，阴极材料表面势垒高度降低，势垒宽度变窄，阴极发射体中的电子通过隧道效应穿透势垒发射到真空中，并轰击阳极上的荧光粉层而发光。 其基本结构如图1所示，主要由平面电子源场发射阵列(阴极)、栅极和阳极荧光屏构成，再加上辅助部分如消气剂、绝缘支柱，最后真空封装构成。阴阳两极采用透明导电膜(通常是ITO)，其上涂敷荧光粉。阳极、阴极和栅极由各自的引线电极与外围的驱动电路相连。阴极和栅极互相垂直，利用栅极和阴极实现矩阵选址。每个阴极和栅极的交叉点对应于—个像素点。固定阳极电压，调节栅极电压，当两种叠加电场超过材料的阈值电场时，阴极的微尖发射，该像素被点亮，否则像素点被截止不发光。 以此，FED利用平面冷电子源代替热阴极的电子源，节省庞大的电子枪空间。同
碳纳米管薄膜制备及应用研究进展
１ 碳纳米管薄膜的制备 1.1 高密度高取向碳纳米管膜的制备 由浮动催化化学气相沉积制备方法（FCCVD）所制备的薄膜具有良好的取向性，但密度较低。然而，制备出的碳纳米管的丝带聚集在一起用乙醇溶液进行喷雾致密，当乙醇蒸发后形成一层疏松的碳纳米管膜，然后将疏松的碳纳米管薄膜从主轴上剥离出来放在两个光滑的压力为100N的压力板之间挤压，即可以获得高取向、高密度的CNT薄膜[1-2]。如图1所示，为高密度、高取向碳纳米管薄膜的制备过程。其中，图1（a）为高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程，图1（b）、图1（c）、图1（d）分别为碳纳米管丝带、疏松碳纳米管薄、高密度高取向碳纳米管薄膜膜宏观图像。 图１ 高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程 1.2 浮动化学气相沉积法制备高强度薄膜 王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米管宏观筒状物，并在开放大气环境下将 CNT 薄膜，图2（b）为拉伸曲线，图2（c）为端口形貌。 图２ 所制备ＣＮＴ薄膜、拉伸曲线和端口形貌综上所述可以看出，直接合成机械性能优异、高密度、高取向度的碳纳米管薄膜的研究工作还处于实验研究阶段。要想获得可应用的具有优越性能的碳纳米管纤维和早日将其应用于实际生活，还需要做很多研究工作。 ２ 碳纳米管薄膜的应用 2.1 碳纳米管长度优化制备透明导电薄膜基板 初始长度为10～15μm多壁碳纳米管经过30min、60min和120min的回流，其长度分别降低到1200nm、205nm、168nm。然后，将多壁纳米管分别在285℃退火24小时，所得碳纳米管薄膜的电气和光学性能将大大提高。薄膜的光学和电气性能强烈依赖于碳纳米管的长度。制备薄膜的多壁碳纳米管回流30min所得到的薄膜光学透过率分别高于回流60min和120min薄膜的2.6%和6.6%。多壁碳纳米管回流30min所得的样品薄膜的薄层电阻也降低了45%和80%。此时，薄膜还具有最小粗糙度[5-10]。图3为透明导电薄膜基板。 2.2 碳纳米管薄膜在应力传感器中的应用 单壁碳纳米管兼具极优异的导电性、稳定性、柔韧性以及拉伸强度，因此在应力传感器方面有着巨大的应用潜力。传统的碳纳米管应力传感器基于碳纳米管的电阻值变化监测外部应力的大小。国家纳米科学中心孙连峰研究员小组的刘政在攻读博士期间发现，基于单壁碳纳米管薄膜两端的开路电压可以构建成功高性能的应力传感器。他们利用极性液滴在悬空碳纳米管薄膜和液滴之间产生毛细管 摘 要：膜状碳纳米管保留了碳纳米管微观性状，也保留了优异的导电能力。它具有良好的机械性能、独特的形貌与结构特征，在储能电池技术、人工肌肉、智能材料以及电子显示屏中的应用越来越普遍。本文介绍碳纳米管薄膜的特点，对几种碳纳米管薄膜制备方法做了简要介绍说明。通过对当前碳纳米管薄膜几大应用方向如超级电容、柔性电池以及场发射装置等的分析，展示了碳纳米管薄膜的巨大应用潜力。 关键词：碳纳米管薄膜 制备 超级电容 柔性电池
薄膜的材料及制备工艺
薄膜混合集成电路的制作工艺 中心议题：多晶硅薄膜的制备 摘要：本文主要介绍了多晶硅薄膜制备工艺，阐述了具体的工艺流程，从低压化学气相沉积(LPCVD)，准分子激光晶化(ELA)，固相晶化（SPC）快速热退火(RTA)，等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD等，进行详细说明。 关键词：低压化学气相沉积(LPCVD)；准分子激光晶化(ELA)； 快速热退火(RTA)等离子体增强化学反应气相沉积(PECVD) 引言 多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低成本制备的优点。因此，对于多晶硅薄膜材料的研究越来越引起人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：一类是高温工艺，制备过程中温度高于600℃,衬底使用昂贵的石英，但制备工艺较简单。另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可用廉价玻璃作衬底，因此可以大面积制作，但是制备工艺较复杂。 1薄膜集成电路的概述
在同一个基片上用蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺制成无源网路,并组装上分立微型元件、器件,外加封装而成的混合集成电路。所装的分立微型元件、器件，可以是微元件、半导体芯片或单片集成电路。 2物理气相沉积-蒸发 物质的热蒸发利用物质高温下的蒸发现象，可制备各种薄膜材料。与溅射法相比，蒸发法显著特点之一是在较高的真空度条件下，不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上，且可确保所制备的薄膜具有较高纯度。 3 等离子体辅助化学气相沉积--PECVD
传统的CVD技术依赖于较高的衬底温度实现气相物质间的化学反应与薄膜沉积。PECVD在低压化学气相沉积进行的同时，利用辉光放电等离子体对沉积过程施加影响。促进反应、降低温度。 降低温度避免薄膜与衬底间不必要的扩散与化学反应；避免薄膜或衬底材料结构变化与性能恶化；避免薄膜与衬底中出现较大的热应力等。 4低压化学气相沉积(LPCVD)
纳米复合材料
纳米复合材料的制备及其应用 分析化学饶海英20114209033 摘要：聚合物基复合材料目前已经成为复合材料发展的一个重要方向，它涉及了材料物理、材料化学、有机材料、高分子化学与物理等众多学科的知识。本文主要针对纳米复合材料的制备方法、性能及应用等方面的研究进展情况进行了综述。 复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国航、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分。80年代初Roy等提出的纳米复合材料[1-3]，为复合材料研究应用开辟了崭新的领域。纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。由于纳米微粒独特的效应，使其物理和化学性能方面呈现出不同的性能。将纳米材料与复合材料结合起来，所构成的纳米复合材料兼有纳米材料和复合材料的优点，因而引起科学家的广泛关注和深入的研究[4-5,44,45]。纳米复合材料的基体不同，所构成的复合材料类型也不同，如：金属基纳米材料[9-11,43]。陶瓷基纳米材料[12]、聚合物基纳米材料。 近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。 1纳米聚合物基复合材料 1.1 纳米聚合物基复合材料的合成进展 在纳米聚合物基复合材料方面，主要采用同向双螺杆挤出方法分散纳米粉体，分散水平达到纳米级，得到了性能符合设计要求的纳米复合材料。较早发展起来的几种聚合物纳米复合材料的制备方法[13-14]有共混法、溶胶-凝胶法(sol-ge1)、插层复合技术(interaction)，可分为插层和剥离(exfoliate)两种技术、原位(in-situ)法、母料法、模定向合成法(template directed)包括化学方法和电化学方法。 声化学合成(sonochemical synthesis)是制备具有独特性能的新材料的有效方法。
自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性
[Article] https://www.360docs.net/doc/be9978209.html, 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao ) Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30(7),1377-1383 July Received:February 26,2014;Revised:May 6,2014;Published on Web:May 9,2014.? Corresponding author.Email:shengwang@https://www.360docs.net/doc/be9978209.html,;Tel:+86-136********. The project was supported by the National Key Basic Research Program of China (973)(2011CB933002,2011CB933001)and National Natural Science Foundation of China (61370009,61271051,61321001). 国家重点基础研究发展规划项目(973)(2011CB933002,2011CB933001)和国家自然科学基金(61370009,61271051,61321001)资助 ?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica doi:10.3866/PKU.WHXB201405093 自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性 赵青靓1 刘旸1,2魏楠1王胜1, * (1北京大学电子学系,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京100871; 2 北京大学前沿交叉学科研究院,北京100871) 摘要:采用自组装的方法制备99%高纯度半导体碳纳米管平行阵列条带,以金属钯和钪为非对称接触电极制 备碳纳米管(CNT)薄膜晶体管(TFTs)器件.主要研究不同沟道长度碳纳米管薄膜晶体管器件的电输运特性和红外光电响应特性,分析了其中的载流子输运和光生载流子分离的物理机制.我们发现薄膜晶体管器件的电学性能和光电性能依赖于器件沟道长度(L )和碳纳米管的平均长度(L CNT ).当沟道长度小于碳纳米管的平均长度时,器件开关比最低;当沟道长度超过碳纳米管平均长度时,随着沟道长度的增加,器件开关比增加,光电流减小.相关研究结果为高纯碳纳米管薄膜晶体管器件在红外光探测器方面的进一步应用提供参考依据.关键词: 碳纳米管; 自组装;非对称接触;光电响应; 红外; 沟道长度;薄膜晶体管 中图分类号: O649 Photoelectric Characteristics of Self-Assembled Semiconducting Carbon Nanotube Thin Film s ZHAO Qing-Liang 1 LIU Yang 1,2 WEI Nan 1 WANG Sheng 1,* (1Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices,Department of Electronics,Peking University, Beijing 100871,P .R.China ;2Academy for Advanced Interdisciplinary Studies,Peking University,Beijing 100871,P .R.China ) Abstract:We used the self-assembly method to form high purity (99%)semiconducting carbon nanotube (CNT)aligned arrays.Thin-film transistors (TFTs)were fabricated with asymmetric Pd and Sc electrodes.We studied the electronic transport characteristics and infrared photoelectronic properties of the TFTs with different channel lengths.The physical mechanism of carrier transport and the dissociation of photoexcited carries are also discussed.We found that the electronic and photoelectronic properties of the TFTs were dependent on the channel length and the average length of the CNTs.The on/off ratio of the device was the lowest when the channel length of the device (L )was less than the average length of the CNTs (L CNT ),and it increased with increasing L when L was larger than L CNT .In addition,the short circuit current of the device also decreased.These results provide an effective reference for further infrared detector applications based on high-purity semiconducting carbon nanotube TFTs. Key Words:Carbon nanotube;Self-assembly;Asymmetric contact; Photoelectric response; Infrared;Channel length;Thin film transistor 1引言 碳纳米管(CNTs)自1991年被发现以来,1在纳 米电子和光电应用领域以其优异的性能和广阔的应用潜力得到了广泛的关注.在电学方面,半导体 1377
(完整版)纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性[ 1 ] ,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切[ 2 ] [ 3 ] 。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法 纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法 化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。
聚合物无机物纳米复合材料
聚合物/无机物纳米复合材料 张凌燕 牛艳萍 （武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉，430070） E-mail：zhly@https://www.360docs.net/doc/be9978209.html,或niuyanping2004@https://www.360docs.net/doc/be9978209.html, 摘 要：本文从聚合物/无机物纳米复合材料的类型、各种制备方法及原理、优异性能及应用等方面，总结了聚合物/无机物纳米复合材料的研究进展。 关键词：聚合物/无机物纳米复合材料；增韧；表面改性 1 前 言 纳米材料是指材料二相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级尺寸（100nm以下）的材料。纳米复合材料是指2种或2种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级大小（1～100nm）复合而成的复合材料[1]。聚合物/无机物纳米复合材料（简称OINC）是以聚合物为基体（连续相）、无机物以纳米尺度（小于100nm）分散于基体中的新型高分子复合材料[2]。按照无机物纳米粒子形态结构，OINC可分为聚合物/无机粒子纳米复合材料、聚合物/无机纤维纳米复合材料、聚合物/片层状无机物纳米复合材料。用于制备OINC的无机物包括：粘土类如滑石粉、蒙脱土、云母、水辉石等，陶瓷如SiO2、TiO2、Al2O3、AlN、ZrO2、SiC、Si3N4等，聚硅氧烷，CaCO3，分子筛，金属氧化物如V2O5、MoO3、WO3等，层状过渡金属二硫化物或硫代亚磷酸盐如MoS2、TiS2、TaS2、MPS3（M=Mn、Cd等），层状金属盐类化合物、双氢氧化物，以及碳黑、碳纤维等[3]。与传统的复合材料相比，由于纳米粒子带来的纳米效应和纳米粒子与基体间强的界面相互作用，聚合物纳米复合材料具有优于相同组分常规聚合物复合材料的力学、热学性能，为制备高性能、多功能的新一代复合材料提供了可能。 2 无机纳米粒子的增韧机理及表面修饰 2.1 增韧机理 （1）在变形中，刚性无机粒子不会产生大的伸长变形，在大的拉应力作用下，基体和无机粒子的界面部分脱粘形成空穴，使裂纹钝化，不致发展成破坏性裂缝；无机粒子的存在产生应力集中效应，引发粒子周围的树脂基体屈服（空化、银纹、剪切带）。这种界面脱粘和屈服都需要消耗更多的能量，从而起到增韧作用。 （2）由于纳米粒子的比表面积大，表面的物理和化学缺陷越多，粒子与高分子链发生物理或化学结合的机会越多，因而与基体接触面积增大，材料受冲击时，会产生更多的微开裂，吸收更多的冲击能[4]。 2.2 表面修饰 刚性无机粒子的粒径越小，与基体接触面积越大，若能均匀分布，增韧增强的效果就越 1
纳米薄膜材料
题目：纳米薄膜材料 姓名：王鹏飞 学号： 201006050012 系别：化学系 专业：化学工程与工艺 年级班级： 2010级1班 2013年 6月24日
纳米薄膜材料 摘要：纳米薄膜材料是一种新型材料，由于其特殊的结构特点，时期作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文综述了近几年来国内外纳米薄膜材料研究的最新进展，包括对该类材料的制备方法、及其应用领域。 关键词：纳米薄膜；薄膜制备；性能 1.引言 21世纪，由于信息、生物技术、能源、环境、国防等工业的快速发展，对材料性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小，航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此，新材料的研究和创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础，其中由于纳米材料的特殊的物理和化学性能，以及由此产生的特殊的应用价值，必将使其成为科学研究的热点[1]。 事实上，纳米材料并非新奇之物，早在 1000 多年以前，我国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑作为墨的原料，可能就是最早的纳米颗粒材料；我国古代铜镜表面的防锈层，经验证为一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜，这大概是最早的纳米薄膜材料。人类有意识的开展纳米材料的研究开始于大约50年代，西德的 Kanzig 观察到了 BaTiO3 中的极性微区，尺寸在 10~100 纳米之间[2]。苏联的 G. A. Smolensky 假设复合钙钛矿铁电体中的介电弥散是由于存在 Kanzig 微区导致成分布不均匀引起的[3]。60 年代日本的Ryogo Kubo 在金属超微粒子理论中发现由于金属粒子的电子能级不连续，在低温下，即当费米能级附近的平均能级间隔δ﹥kT 时，金属粒子显示出与块状物质不同的热性质[4]。西德的 H. Gleiter 对纳米固体的制备、结构和性能进行了细致地研究[5]。 随着技术水平的不断提高和分析测试技术手段的不断进步，人类逐渐研制出了纳米碳管，纳米颗粒，纳米晶体，纳米薄膜等新材料，这些纳米材料有一般的晶体和非晶体材料不具备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论面临新的挑战。80 年代末有人利用粒度为 1~15nm 的超微颗粒制造了纳米级固体材料。