Study of NO2 gas sensing at low temperature based on the incorporation of silicon nanostructures with tungsten trioxide nanoparticles

論文翻譯標題: 製備三氧化鎢奈米顆粒@矽奈米結構於低溫感測二氧化氮氣體之研究
  • 錢 品儒

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

本研究目的為製備可於室溫下量測NO2氣體之氣體感測器,選用自然界中擁有豐富含量之矽(P-type)與對NO2氣體具備良好選擇性之WO3材料複合,目標為透過此複合結構降低金屬半導體氣感元件操作溫度,因此在本研究中討論三氧化鎢@不同矽奈米結構上之氣感特性,討論不同形貌對氣感特性造成之影響。首先利用電場輔助於一般金屬輔助化學蝕刻上,可於短時間內快速製備垂直矽奈米線(silicon nanowires SiNWs)陣列、奈米級的多孔矽以及垂直/傾斜矽奈米線,於施加偏壓+40 V時,蝕刻速率約可提升3 4 倍,並以實驗設計,驗證施加偏壓下對電洞擴散整流及陽極氧化反應的影響與機制,並透過SEM驗證其形貌與計算蝕刻速率。而在Si(111)基板上利用Au/Ag雙金屬催化劑於硝酸濃度0 6 M及溫度45 ℃下則可製備特殊彎曲矽奈米線與彎曲溝槽混合矽奈米結構並討論其形成機制及透過SEM驗證其形貌。為了測試能否於矽奈米結構上合成三氧化鎢複合結構,因此將不同pH質環境中的前驅液鎢酸以特殊水熱法合成於矽奈米線陣列上,分別可生成三氧化鎢顆粒@矽奈米線及三氧化鎢帶一水@矽奈米線,並透過SEM與XRD分析驗證其形貌與晶面,而經氣體感測後,兩者分別對3 ppm NO2及25 ppm Acetone具有較佳選擇性,室溫下響應度分別為1 18及1 72,而因本研究旨在量測室溫下之NO2氣體,故選擇前者三氧化鎢配方為後續研究參數。之後分別對WO3@SiNWs、WO3@porous Si及WO3@curved SiNWs三不同複合結構作SEM分析形貌及氣體感測,對目標氣體3 ppm NO2於室溫下響應值分別為1 18、1 017、1 252,得到WO3@curved SiNWs擁有對NO2氣體最佳選擇性。為提高響應度,透過氧電漿處理增加材料表面缺陷濃度並以XPS驗證,WO3@curved SiNWs在氧電漿處理(20 W,60 s)後,響應度在室溫下由1 252上升至3 49。進一步的,針對WO3@curved SiNWs進行氧電漿處理後量測其在室溫下短期及長期元件穩定性,在短期穩定性量測中,使用1 ppm NO2進行連續五次量測,量測結果響應度依序為1 216、1 153、1 144、1 135、1 093。而長期穩定性量測則仍然對3 ppm NO2 量測,量測結果響應度依序為3 49 (Day 1)、1 588 (Day 10)、1 235 (Day 20)、1 047 (Day 30)。
獎項日期2020
原文English
監督員Chia-Yun Chen (Supervisor)

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