硅纳米线是一种典型的一维硅基结构材料，利用金属辅助化学刻蚀（MACE）技术形成的硅纳米线具有高度定向性、高比表面积以及制备工艺与硅基半导体工艺高度兼容的特点，特别是其室温气体敏感特性使其在低功耗集成式气体传感器领域极具发展与应用前景。为了突破其室温灵敏度低的性能限制，表面改性处理被证明是一种有效途径。本论文以硅纳米线有机改性改善气体响应性能为研究目标，通过可控制备有机导电聚吡咯在有序硅纳米线表面的修饰/包覆复合结构，实现了基于有机-无机异质效应的硅纳米线基气体传感器气敏性能的显著提升，并通过建立相应的理论模型阐明了有机-无机复合改性结构的气敏机制。
首先，发展了一种可以实现硅纳米线阵列有效微结构改性的双重MACE (dual-MACE)工艺，即基于MACE过程的副产物Ag实现硅纳米线阵列的二次MACE刻蚀，获得了一种结构稀疏、表面粗糙化的硅纳米线阵列。该dual-MACE工艺明显增大了硅纳米线与气体的接触表面并同时创造了高密度非稳表面态，提高了硅纳米线敏感元的气体吸附性能；同时，MACE二次刻蚀处理形成了稀疏化硅纳米线阵列，低的纳米线阵列密度利于进一步的表面改性处理和气体的内部扩散。
其次，基于dual-MACE形成的稀疏粗糙硅纳米线阵列，利用气相化学聚合法成功制备了具有超薄壳层（10nm）的聚吡咯薄膜/硅纳米线核壳阵列结构，利用液相化学聚合法在硅纳米线的粗糙表面嵌入大量20-50nm的高分散聚吡咯纳米粒子，形成了聚吡咯纳米粒子修饰的硅纳米线阵列。对比研究了两种复合气敏结构的室温氨敏性能，发现：核壳结构和修饰结构对10ppm氨气的敏感响应较纯相一维硅纳米线阵列分别提高了约27倍和6倍；硅纳米线/聚吡咯薄膜核壳结构基传感器较聚吡咯颗粒修饰结构表现出了更快的动态响应特性和更低的探测极限。室温下，核壳结构传感器对1-10ppm NH3的响应时间小于3秒，NH3检测极限可达180ppb。
最后，通过控制气相聚合时间制备出了具有不同聚吡咯壳层厚度的聚吡咯/硅纳米线核壳结构并对其进行了表征分析和NO2气敏评价。通过抽象理论模型，概括分析推导出了可以解释实验结果的理论公式。这一理论模型对于其它一维有机/无机复合材料体系的气敏性能研究具有好的指导意义和普适性。 |