温度对单根氧化锌纳米线真空传感器的影响*

王广宁，郎 颖，姜威，陈婷婷，张伟光

(哈尔滨师范大学)

0 引言

随着半导体材料的飞速发展，ZnO材料得到越来越多的关注.ZnO是六角纤锌矿结构，其直接禁带宽度为3.37 eV并且有很高的激子结合能(60 mV)，是作为光发射二极管、场效应管、光电检测等方面应用的最佳候选材料.近年来，ZnO 准一维纳米结构，如纳米线［1］、纳米带［2］、纳米管等得到了更多的关注，大量文献报道了多种ZnO纳米结构的电致发光、光电探测、压电效应等特性［3-4］.由于纳米结构材料比表面积较大，所以有很高的灵敏度.正是由于这一点，许多研究者制备了气体传感器［5］、光传感器［6］、湿度传感器、真空传感器［7］.在对真空传感器的研究中，研究者对不同气体环境下的传感器的特性进行了研究［7］，但很少有研究者研究了温度对传感器的影响，特别是高温情况.该文主要阐述了ZnO纳米线的制备及欧姆接触的金属-半导体-金属器件.进一步完成了真空传感器的制备，并对其在不同温度下的特性进行了研究，认为脱附作用之后，温度对ZnO纳米线真空传感器有很大的影响.

1 实验过程

1.1 ZnO纳米线的制备

利用化学气相沉积方法在高温管式炉中制备ZnO纳米线.将ZnO粉放入刚玉舟上置于高温炉内，使其处于最高温度处.以高纯氩气作为载气，单晶Si(111)片作为衬底，使衬底位于刚玉舟的下游.加热，使高温炉升温至1300℃，且在1300℃停留1.5 h后，自然冷却到室温，在此过程中始终保持高温炉内压强为100Pa，氩气流量为200sccm.利用场发射扫描电子显微镜(FESEM，S-4800，Hitachi)对制备的 ZnO纳米线的形貌进行表征.

1.2 器件的制备

将带有厚度为300 nm SiO2层的硅片作为衬底并分别在丙酮、酒精、去离子水中进行超声波清洗5 min.待硅片干燥后，提取单根纳米线放于SiO2层上，利用微栅法［8］在 SiO2表面分别蒸镀Ti和Au两种不同的金属膜.为了让金属与半导体接触更好，利用电阻炉对其进行退火.使电阻炉升温至500℃，且在500℃停留5min后，自然冷却到室温.此过程中始终以高纯氮气为载气.最后引出电极，利用Agilent B1500A对单根ZnO纳米线进行Ⅰ-V特性的测量.

2 实验结果与分析

图1为样品的SEM图，可以看出纳米线的长度为40～100μm，直径为40～80 nm.图2为单根纳米线器件示意图.

图1 ZnO纳米线SEM图

图2 单根纳米线器件示意图

为了研究温度对真空传感器特性的影响，我们首先测试了室温下不同真空环境下的单根ZnO纳米线器件的Ⅰ-V特性曲线.图3给出了p=105Pa和p=1×10 Pa的Ⅰ-V曲线，可以看出纳米线与电极之间形成很好的欧姆接触，随真空度提高，单根ZnO纳米线的电阻率明显降低.图3中的插图给出了单根纳米线的SEM图，可以看出纳米线的有效长度约为10 μm.

图3 室温下器件在p=1×105Pa(红色)和p=10 Pa(黑色)的Ⅰ-V特性曲线.插图为单根ZnO纳米线及两电极的SEM图

图4给出了室温下单根ZnO纳米线器件的电阻随真空度的变化关系，可以看出随着压强的降低纳米线的电阻按对数规律减小，可见单根ZnO纳米线器件可以制成真空传感器.ZnO真空传感器机理可以解释如下:空气中的氧气和水蒸气很容易从纳米线表面捕获自由电子而吸附在纳米线的表面形成氧负离子(O2-，O-)［9-11］，并在纳米线表面形成了耗尽层，导致整个纳米线的导电性下降［12］.提高真空度后降低氧气和水蒸气浓度，氧负离子进行了脱附作用，使得纳米线表面的电子数增加，降低了耗尽层的厚度，导致纳米线的电阻下降.

图4 室温单根纳米线在不同压强下的电阻

图5 不同真空度下的单根纳米线电阻随温度的变化关系

图5为不同真空度下ZnO纳米线电阻随温度变化的曲线，ZnO纳米线的本征电阻率随温度的升高而降低，导电性增强.在p=10 Pa时，室温情况下的电阻约为高温情况下(T=325℃)的1000倍.而在p=1×105Pa时，室温情况的电阻是高温情况下(T=325℃)的10倍.这种巨大变化主要是由于真空度迅速的升高，吸附在纳米线的表面的氧负离子进行了脱附的作用之后，使得耗尽层厚度降低，纳米线内部可参与导电的电子数增多，此时温度对纳米线的影响作用更大，导致纳米线电阻率迅速降低.通过以上的实验数据的分析，我们认为脱附作用之后，温度对ZnO纳米线真空传感器有很大的影响.

3 结束语

该文利用微栅电极法制备了单根氧化锌纳米线真空传感器，在不同温度下测试传感器的电阻率随温度变化特性.ZnO纳米线的本征电阻率随温度的升高而降低，导电性增强.并且发现由于纳米线的表面的氧负离子进行了脱附的作用，纳米线内部可参与导电的电子数增多，所有温度变化会导致纳米线电阻迅速降低.进一步说明脱附作用之后，温度对ZnO纳米线真空传感器有很大的影响.

［1］ Lang Y，Gao H，Jiang W，et al.Photoresponse and decay mechanism of an individual ZnO Nanowire UV sensor，Sensors and Actuators A，2012，174:43-46.

［2］ Pan Z W，Dai Z R，Wang Z L.Nanobelts of Semiconducting Oxides，Science，2001，291(5510):1947-1949.

［3］ 袁泽，高红，徐玲玲，等，In、Al共掺杂ZnO纳米串光电探测器的组装与研究.物理学报，2012，61(5):50-57.

［4］ Gao Y F，Wang Z L.Electrostatic Potential in a Bent Piezoelectric Nanowire.The Fundamental Theory of Nanogenerator and Nanopiezotronics.Nano Lett，2007，7(8):2499-2505.

［5］ Wu W Y，Ting J M，Huang P J.Eelectrospun ZnO Nanowires as Gas Sensors for Ethanol Detection.Nanoscale Res Lett，2009，4(6):513-517.

［6］ Suehiro J，Nakagawa N，Hidaka S，et al.Dielectrophoretic fabrication and characterization of a ZnO Nanowire-based UV photosensor.Nanotechnology，2006，17(10):2567.

［7］ Wu L M，Song F F，Fang X X，et al.A practical vacuum sensor based on a ZnO nanowire array，Nanotechnology，2010，21(47):5502.

［8］ Jiang W，Gao H，Xu L L，et al.Optoelectronic characterisation of an individual ZnO nanowire in contact with a microgrid template，Chin Phys B，2011，20(3):7307.

［9］ Chang S J，Hsueh T J，Hsu C L，et al.A ZnO nanowire vacuum pressure sensor，Nanotechnology，2008，19(9):5505.

［10］ Barsan N，Schweizer-Berberich M，Göpel W et al.Fundamental and practical aspects in the design of nanoscaled SnO2gas sensors:a status report，Fresenius J Anal.Chem，1999，365(4):287-304.

［11］ Belmonte J C，Manzano J，Arbiol J，et al.Micromachined twin gas sensor for CO and O2quantification based on catalytically modified nano-SnO2，Sensors Actuators B，2006，114(2):881-882.

［12］ Takahashi Y，Kanamori M，Kondoh A，et al.Photoconductity of Ultrathin Zinc Oxide Films，Japan J Appl Phys，1994，33:6611-6615.