關(guān)于20xx年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃立項項目結(jié)題驗收工作的通知(編輯修改稿)
2024-10-29 00:58 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控前期研究工作從實驗上證明了利用半導體功函數(shù)調(diào)控實現(xiàn)能量捕獲的可行性，但是，器件要取得實際應(yīng)用，必須要有高的能量轉(zhuǎn)換效率，且能實現(xiàn)持續(xù)電能轉(zhuǎn)換，這就需要對器件性能影響因素及器件工作機制進行深入研究[19]。除此之外，ZnO材料化學穩(wěn)定性差也是器件實用化的重要瓶頸。因此，有必要尋找新的替代材料實現(xiàn)類似能量轉(zhuǎn)換功能。在本項目中，我們將在之前研究的基礎(chǔ)上，進一步深化器件工作機制的研究，推進分子驅(qū)動自供電傳感器件的實用化。石墨烯作為器件功能單元的可行性與優(yōu)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告勢：近十年來，石墨烯因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應(yīng)用前景[2023]。理論和實驗結(jié)果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控[24]?；谶@一點，在本項目中，我們提出利用石墨烯作為基本功能單元制備新一代的分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換及自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。在前期的研究中，我們利用石墨烯制備成器件，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆蓋，部分暴露。當工作端接觸乙醇分子時，工作端工作函數(shù)發(fā)生變化，而密封端工作函數(shù)仍保持不變；由于同一種材料費米能級必須處于同一水平，由于載流子的遷移，器件兩端產(chǎn)生接觸電勢差[25]。實驗結(jié)果表明，乙醇液滴可使器件可產(chǎn)生35 nA 左右的電信號，這表明石墨烯作為基本功能單元制備分子驅(qū)動自供電傳感器件是可行的。以石墨烯制備器件具有以下優(yōu)勢：首先，二維石墨烯具有大的比表面積，對化學分子有更高的敏感性，更容易進行表面電勢的調(diào)節(jié)；其次，石墨烯具有良好的機械性質(zhì)，可以做成柔性器件；再次，石墨烯的電子輸運性質(zhì)和功函數(shù)可在很大范圍內(nèi)調(diào)控，表面改性、應(yīng)力、化學環(huán)境等都可以使石墨烯功函數(shù)發(fā)生變化。綜合這些優(yōu)勢和前期研究結(jié)果，我們認為，以石墨烯作為功能單元制備分子驅(qū)動自供電傳感器件，有望獲得高轉(zhuǎn)換效率、超小尺寸、柔性、穩(wěn)定的微電源器件，滿足實際需求[2627]。實驗部分 實驗藥品及氣體固體材料：超薄二維納米材料（石墨烯）所用極性有機液體：無水乙醇、異丙醇、丙酮、二氯甲烷、吡啶、二甲基甲酰胺主要測試光照：黑暗、日光燈、紫外燈（365nm） 實驗設(shè)備及儀器本實驗所用到的設(shè)備儀器： 半導體參數(shù)分析儀是一個模塊化、可定制、高度一體化的參數(shù)分析儀，可同時進行電流電壓(IV)、電容電壓(CV)和超快脈沖 IV 電學測試。使用其可大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告選的 多通道開關(guān)模塊，可輕松地在 IV 和 CV 測量之間切換，而無需重新布線或抬起探針。半導體參數(shù)分析儀是最高性能的分析儀，可加快用于材料研究、半導體器件設(shè)計、工藝開發(fā)或生產(chǎn)的復雜器件的測試。使用時，先將器件連接在參數(shù)分析儀上，打開電源和電腦上的系統(tǒng)。設(shè)置程序，測試器件的伏安特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線，探究器件的遷移率、載流子濃度等基本的電學性能和半導體材料的電流電壓隨時間的變化曲線。圖2（a）半導體探針臺和（b）半導體參數(shù)分析儀(XRD)X射線衍射儀(Xray diffraction,XRD)，其工作原理是根據(jù)布拉格方程2dsinθ＝nλ，圖3所示，實驗儀器根據(jù)接收的θ角度變化信息及其強度分布信息可以得到晶體的點陣平面間距和原子排布信息，分析晶體的點陣平面間距和原子排布信息便能獲得材料成分和內(nèi)部原子(分子)結(jié)構(gòu)等信息。圖3 布拉格衍射示意圖本論文中采用的XRD型號為D8ADVANCE，由德國BrukerAXS公司生產(chǎn)，如圖4所示。衍射實驗使用的測量電壓和電流分別為40kV、30 mA，實驗中的衍射X射線為CuKα射線， nm。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告圖4 D8ADVANCE型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(SEM)掃描電子顯微鏡可以方便的得到所制備材料的形貌特征及結(jié)構(gòu)特征，是材料研究的關(guān)鍵。在使用過程中，其利用多種信號轉(zhuǎn)換，得到經(jīng)電子束激發(fā)相應(yīng)材料表面產(chǎn)生次級電子信號，利用這種電子信號來完成對材料的形貌的表征形成我們所看到的圖像特征。對導電性較差的樣品，為避免觀測樣品表面時，因積累電荷從而影響觀測，通常需要噴涂一層重金屬薄膜。本論文采用美國FEI公司生產(chǎn)的QuantaFEG450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FieldEmission Scanning Electron Microscopy, FESEM)對樣品進行表面形貌和結(jié)構(gòu)的表征，主要測試參數(shù)為：電子槍和樣品的距離10 mm，加速電壓為30 kV，電流為10μA。近十年來，石墨烯因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應(yīng)用前景。理論和實驗結(jié)果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控?；谶@一點，在本項目中，我們提出利用石墨烯作為基本功能單元制備新一代的分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換及自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。采用化學氣相沉積方法以及LangmuirBlodget方法制備了大面積（氧化）石墨烯材料。化學氣相沉積法是制備石墨烯常用的方法，該方法的優(yōu)點在于易實現(xiàn)石墨烯的大面積合成，常以銅、鎳、鉑等金屬為襯底，通過滲碳冷卻、表面催化等工藝制備得到大面積連續(xù)的石墨烯薄膜。實驗中，以C2H4為碳源，H2為載氣，以Ni和Cu為催化劑，生長溫度控制在8001000℃，通過調(diào)控對開式管式爐中的碳源、壓強、溫度以及生長時間，控制石墨烯的生長厚度。利用化學氣相沉積大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告方法，獲得了表面連續(xù)的大面積石墨烯材料。為了進一步探索并優(yōu)化化學氣相沉積實驗過程，我們采用化學氣相沉積方法制備了大面積二維超薄半導體納米材料，并以此二維超薄結(jié)構(gòu)的半導體納米材料制備類似的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件，借此與高質(zhì)量石墨烯材料的制備方法和器件制作工藝類比，優(yōu)化化學分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換及自供電傳感器件性能，并深入探究器件工作機理。采用化學氣相沉積方法，制備了具有二維超薄結(jié)構(gòu)的氧化鋅以及二硫化鉬半導體納米材料。探索了具有較大比表面積的二維超薄結(jié)構(gòu)的半導體納米材料最優(yōu)化生長工藝；研究了不同升溫速度、生長溫度、生長時間、摻雜元素、反應(yīng)氣體及載氣比例以及流量等條件，制備的大面積二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米材料的成分、結(jié)構(gòu)、形貌以及光、電、機械等性能；實現(xiàn)了在不同表面狀態(tài)的硅、二氧化硅以及不同晶體取向的藍寶石襯底上生長高質(zhì)量大面積二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米材料。在實驗研究上，以化學氣相沉積法生長的大片石墨烯和化學剝離的氧化石墨烯（或還原氧化石墨烯）為實驗對象，綜合利用帶環(huán)境氣氛的Kelvin探針顯微鏡（KPFM）、聚焦離子束刻蝕（FIB）等材料領(lǐng)域先進樣品表征、加工手段開展研究；歸納分析化學分子接觸時石墨烯功函數(shù)變化的微觀機制與器件的宏觀行為，為基于功函數(shù)調(diào)控的微納能量轉(zhuǎn)換器件的材料、器件設(shè)計及性能優(yōu)化打下基礎(chǔ)。通過研究生長條件及復合工藝，對石墨烯材料以及二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米材料結(jié)構(gòu)、成分以及形貌、光學和電學等性能，獲得了控制大面積二維超薄結(jié)構(gòu)納米材料的最優(yōu)化生長工藝。以化學氣相沉積制備的大面積石墨烯材料和LangmuirBlodget方法制備的大面積氧化石墨烯薄膜為功能單元，制作化學分子驅(qū)動的自供電傳感器件?；酒骷苽涔に嚵鞒倘鐖D5所示：1）選擇CVD生長的大片單晶石墨烯，轉(zhuǎn)移到Si/SiO2襯底上。綜合拉曼、透射電鏡、X射線衍射儀、半導體參數(shù)分析儀等手段表征所制備的石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)；2）用鋁箔做掩膜遮住中間部分石墨烯，用電子束蒸發(fā)法在石墨烯兩端鍍電極，用導線將電極引出以備測試； 3）用鋁箔做掩模，遮擋一半石墨烯，通過低壓氣相沉積法在器件表面旋涂一層派瑞林(Parylene C)覆蓋另一半石墨烯。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告圖5石墨烯化學傳感器件制作的工藝路線圖(a)在銅上生長
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