基于氧化镓纳米线阵列的气体探测器研究
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中图分类号 ： Ｔ Ｂ ３ ８ ３ ； Ｔ Ｐ ２ １ ２ ； ０ ６ １ ２ ． ３ ； Ｔ Ｇ １ １ ５ ． ２ １ ５ ． ３ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． １ ０ ０ ０ ６２ － ８ １ ． ２ ０ １ ４ ． Ｏ １ ． ０ ０ ２
第３ ３ 卷第１ 期
２ ０ １ ４年 ２月
电 子
显 微
学 报
Ｖｏ １ ． ３３． Ｎｏ ．１ ２ ０１ ４－ ０２
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ Ｓ ｏ ｃ ｉ ｅ ｔ ｙ
点 。随着人类生活质量 的提高 ， 人们对废气 的检测 提 出 了更高 的要 求 。这 一 切 ， 都 需 要 气 体敏 感 材 料
在 选择 性 、 敏感性 、 稳 定 性 和 耐 用 性 等 方 面满 足 要
求。高温下氧化镓具有 ｎ型半导体性质 ， 载流子浓 度随外界气体成分不 同和浓 度的不 同而变化 。所 以， 氧化镓纳米材料在制备高灵敏度 的气体敏感传
感 器方 面有 着非 常大 的潜 力 。Ｆ ｌ ｅ ｉ ｓ ｃ ｈ ｅ ｒ 等研 究 了氧
化镓薄膜在高 温下对 Ｃ Ｈ 气体 的检测效果。他们 发现在不同的温度区间， 器件对不 同气体 的检测能
力 不 同 。比如 ， 在７ ４ ０ ｏ Ｃ～７ ８ ０℃ 的温 度 区 间 ， 几 乎 检 测不 到 Ｃ Ｏ和 Ｈ 气体 ， 但 是 对 于体 积 分 数 ０ ． ５ ％
Hale Waihona Puke Baidu
文章编号 ： １ ０ ０ ０ － ６ ２ ８ １ （ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ － ０ ０ ０ ７ － ０ ７
基 于氧化镓纳米 线阵列的气体探测器研究
钟 维 ， 王鹏伟 ， 韩 晓冰 ， 俞 大鹏
（ 纳米结构与低 维物理 实验 室， 电子显微镜 实验 室， 北京大学 物理学院， 北京 １ ０ ０ ８ ７ １ ）
＝ ｙ＝９ ０ 。 ， ＝１ ０ ３ ． ７ 。 ， 是１ ０ ０ ０℃ 以 上 唯 一 稳 定 的 Ｇ ａ的氧 化物 。氧 化 镓 （ ８ ． Ｇ ａ ： ０ ） 是 一 种 透 明 的 宽
与传统的传感器相比， 纳米传感器具有材料 比
表面积大 ， 表面活性高 ， 吸附能力强， 灵敏度高等特
点。纳米颗粒 、 纳米薄膜 、 纳米管和纳米线等多种多 样的材料形态的发展， 为传感器提供了优 良的敏感
材料 。准 一维 纳米材料 最显 著 的特性 之一是 其独 特 的活性表 面与 体积 比。一 般 的纳 米线 的直 径大 约在 数 十纳米 以下 ， 表 面层 所 占 比例 巨 大 ¨ 娟Ｊ 。这 种 奇 特 的构 型是气体 传 感 器 电子 器 件 的最 佳 候 选 材料 ，
摘 要 ：氧化镓材料 的电导在 高温（ ４ ０ ０℃ 以上 ） 下随环境气氛显 著变化的 电学性质可 用于汽车尾 气成分的检 测。
相 比于薄膜材料 ， 氧化镓纳 米线 阵列具有更 大的 比表 面 ， 增加 了与待测 气体接 触面积 ， 有 可能大幅提 高探 测 器的
灵敏度。本文直接 利用生长在衬底上 的图形化氧化 镓 纳米线 阵列制成 气体探测 元件 ，初步 分析 了纳米线 未掺 杂 和掺杂条件下其对还原性气体的浓度 变化 的响应 ， 探讨 了反应过程的机理 ， 为后续研 究打下 了基础。 关键词 ： 氧化镓 纳米线 ； 掺杂； 高温 ； 还原性 气体
参 数 为 口＝１ ． ２ ２ ３ ｎ ｍ， ｂ＝ ０ ． ３ ０ ４ ｎ ｍ，ｃ ＝０ ． ５ ８ ｎ ｍ， ｏ ｔ
想的气体敏感传感器件 。 本文作者使用 Ｃ Ｖ Ｄ方法成功制备 出大面积形 貌 均一 、 结 晶完美 、 性 质稳定 的 氧化镓 纳米线 。结 合 光刻以及镀膜工艺 ， 采 取先沉积底电极再生长纳米 线和先生长纳米线再沉积顶电极两种技术路径 ， 实
因为占其体积很大比例的表面层暴露在环境气氛中 能够使其具有很好的气体敏感度， 可以对很小 的气 体浓度做出响应 。近年来 ， 纳米气体传感器作为新
一
代 的 气 敏 传 感 器 候 选 者 受 到 越 来 越 多 的 重 ， 如Ｋ ｏ ｎ ｇ 等成 功研究 了单根单壁半导体碳
的Ｃ Ｈ 气体 ， 检测灵敏度提高 了 ８ ０ ％ １ ６ ］ 。Ｌ ｉ ｕ 等用 金属镓作为源 ， 利用化学气相沉积的方法制备 出了 氧 化镓 纳 米 线 。Ｘ Ｒ Ｄ， Ｓ Ｅ Ｍ和 Ｔ Ｅ Ｍ 等 表 征 结 果 显 示， 所制备得到的氧化镓纳米线具有非常好 的单 晶 结 构 。他 们 将 氧 化 镓 纳 米 线 分 散 到预 先 做 好 的 Ｐ ｔ
电极上得 到 了可 以工 作 的气 敏 传 感 器 。实 验 表 明 ， 在 １ ０ ０ ｏ Ｃ一 ５ ０ ０ ｏ Ｃ的工 作 温度 下 ， 该 器件 可 以对 ０ 和Ｃ Ｏ有 很好 的检 测灵 敏度 ， 其 中在 ３ ０ ０ ｏ Ｃ时 对 ０ 最 敏感 ， 在２ ０ ０℃ 时对 Ｃ Ｏ最敏 感 。这项 工作 表 明 ， 可 以利用 氧 化镓纳 米线 阵列 在低 温 区间得 到 比较 理
视
纳米管的气敏特性 ， 为一 维碳纳米管作 为敏感材料 构建气敏传感器的研究打开 了大门。金属氧化物纳 米线 材料是 纳米 结构 中非 常 独特 的一 种 类 型 ， 是 电 荷的最小载体， 不仅可以作为可靠的纳米尺度连接 线， 自身更具有器件功能。通过掺杂手段 ， 可以方便
地获 得掺杂 纳米 线 及 其异 质 结 结 构 。 因此 ， 金 属 氧 化物 纳米线 是构 筑纳米 传感 器件 的理想 基元 ¨ 。 Ｂ — Ｇ ａ ： Ｏ 为单 斜 晶体 ， 具有 Ｃ ２ ／ ｍ 对 称性 ， 晶 胞
第３ ３ 卷第１ 期
２ ０ １ ４年 ２月
电 子
显 微
学 报
Ｖｏ １ ． ３３． Ｎｏ ．１ ２ ０１ ４－ ０２
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ Ｓ ｏ ｃ ｉ ｅ ｔ ｙ
点 。随着人类生活质量 的提高 ， 人们对废气 的检测 提 出 了更高 的要 求 。这 一 切 ， 都 需 要 气 体敏 感 材 料
在 选择 性 、 敏感性 、 稳 定 性 和 耐 用 性 等 方 面满 足 要
求。高温下氧化镓具有 ｎ型半导体性质 ， 载流子浓 度随外界气体成分不 同和浓 度的不 同而变化 。所 以， 氧化镓纳米材料在制备高灵敏度 的气体敏感传
感 器方 面有 着非 常大 的潜 力 。Ｆ ｌ ｅ ｉ ｓ ｃ ｈ ｅ ｒ 等研 究 了氧
化镓薄膜在高 温下对 Ｃ Ｈ 气体 的检测效果。他们 发现在不同的温度区间， 器件对不 同气体 的检测能
力 不 同 。比如 ， 在７ ４ ０ ｏ Ｃ～７ ８ ０℃ 的温 度 区 间 ， 几 乎 检 测不 到 Ｃ Ｏ和 Ｈ 气体 ， 但 是 对 于体 积 分 数 ０ ． ５ ％
Hale Waihona Puke Baidu
文章编号 ： １ ０ ０ ０ － ６ ２ ８ １ （ ２ ０ １ ４ ） Ｏ １ － ０ ０ ０ ７ － ０ ７
基 于氧化镓纳米 线阵列的气体探测器研究
钟 维 ， 王鹏伟 ， 韩 晓冰 ， 俞 大鹏
（ 纳米结构与低 维物理 实验 室， 电子显微镜 实验 室， 北京大学 物理学院， 北京 １ ０ ０ ８ ７ １ ）
＝ ｙ＝９ ０ 。 ， ＝１ ０ ３ ． ７ 。 ， 是１ ０ ０ ０℃ 以 上 唯 一 稳 定 的 Ｇ ａ的氧 化物 。氧 化 镓 （ ８ ． Ｇ ａ ： ０ ） 是 一 种 透 明 的 宽
与传统的传感器相比， 纳米传感器具有材料 比
表面积大 ， 表面活性高 ， 吸附能力强， 灵敏度高等特
点。纳米颗粒 、 纳米薄膜 、 纳米管和纳米线等多种多 样的材料形态的发展， 为传感器提供了优 良的敏感
材料 。准 一维 纳米材料 最显 著 的特性 之一是 其独 特 的活性表 面与 体积 比。一 般 的纳 米线 的直 径大 约在 数 十纳米 以下 ， 表 面层 所 占 比例 巨 大 ¨ 娟Ｊ 。这 种 奇 特 的构 型是气体 传 感 器 电子 器 件 的最 佳 候 选 材料 ，
摘 要 ：氧化镓材料 的电导在 高温（ ４ ０ ０℃ 以上 ） 下随环境气氛显 著变化的 电学性质可 用于汽车尾 气成分的检 测。
相 比于薄膜材料 ， 氧化镓纳 米线 阵列具有更 大的 比表 面 ， 增加 了与待测 气体接 触面积 ， 有 可能大幅提 高探 测 器的
灵敏度。本文直接 利用生长在衬底上 的图形化氧化 镓 纳米线 阵列制成 气体探测 元件 ，初步 分析 了纳米线 未掺 杂 和掺杂条件下其对还原性气体的浓度 变化 的响应 ， 探讨 了反应过程的机理 ， 为后续研 究打下 了基础。 关键词 ： 氧化镓 纳米线 ； 掺杂； 高温 ； 还原性 气体
参 数 为 口＝１ ． ２ ２ ３ ｎ ｍ， ｂ＝ ０ ． ３ ０ ４ ｎ ｍ，ｃ ＝０ ． ５ ８ ｎ ｍ， ｏ ｔ
想的气体敏感传感器件 。 本文作者使用 Ｃ Ｖ Ｄ方法成功制备 出大面积形 貌 均一 、 结 晶完美 、 性 质稳定 的 氧化镓 纳米线 。结 合 光刻以及镀膜工艺 ， 采 取先沉积底电极再生长纳米 线和先生长纳米线再沉积顶电极两种技术路径 ， 实
因为占其体积很大比例的表面层暴露在环境气氛中 能够使其具有很好的气体敏感度， 可以对很小 的气 体浓度做出响应 。近年来 ， 纳米气体传感器作为新
一
代 的 气 敏 传 感 器 候 选 者 受 到 越 来 越 多 的 重 ， 如Ｋ ｏ ｎ ｇ 等成 功研究 了单根单壁半导体碳
的Ｃ Ｈ 气体 ， 检测灵敏度提高 了 ８ ０ ％ １ ６ ］ 。Ｌ ｉ ｕ 等用 金属镓作为源 ， 利用化学气相沉积的方法制备 出了 氧 化镓 纳 米 线 。Ｘ Ｒ Ｄ， Ｓ Ｅ Ｍ和 Ｔ Ｅ Ｍ 等 表 征 结 果 显 示， 所制备得到的氧化镓纳米线具有非常好 的单 晶 结 构 。他 们 将 氧 化 镓 纳 米 线 分 散 到预 先 做 好 的 Ｐ ｔ
电极上得 到 了可 以工 作 的气 敏 传 感 器 。实 验 表 明 ， 在 １ ０ ０ ｏ Ｃ一 ５ ０ ０ ｏ Ｃ的工 作 温度 下 ， 该 器件 可 以对 ０ 和Ｃ Ｏ有 很好 的检 测灵 敏度 ， 其 中在 ３ ０ ０ ｏ Ｃ时 对 ０ 最 敏感 ， 在２ ０ ０℃ 时对 Ｃ Ｏ最敏 感 。这项 工作 表 明 ， 可 以利用 氧 化镓纳 米线 阵列 在低 温 区间得 到 比较 理
视
纳米管的气敏特性 ， 为一 维碳纳米管作 为敏感材料 构建气敏传感器的研究打开 了大门。金属氧化物纳 米线 材料是 纳米 结构 中非 常 独特 的一 种 类 型 ， 是 电 荷的最小载体， 不仅可以作为可靠的纳米尺度连接 线， 自身更具有器件功能。通过掺杂手段 ， 可以方便
地获 得掺杂 纳米 线 及 其异 质 结 结 构 。 因此 ， 金 属 氧 化物 纳米线 是构 筑纳米 传感 器件 的理想 基元 ¨ 。 Ｂ — Ｇ ａ ： Ｏ 为单 斜 晶体 ， 具有 Ｃ ２ ／ ｍ 对 称性 ， 晶 胞