硒化铟场效应晶体管的制备及其气敏性能研究.pdf
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1、Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(1),25-30 Published Online January 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.141004 文章引用文章引用:曹佳鑫,孙鉴波.硒化铟场效应晶体管的制备及其气敏性能研究J.应用物理,2024,14(1):25-30.DOI:10.12677/app.2024.141004 硒化铟场效应晶体管的制备及其气敏性能研究硒化铟场效应晶体管的制备及其气敏性能研究 曹佳鑫曹佳鑫,孙鉴波孙鉴波*
2、哈尔滨师范大学物理与电子工程学院光电带隙材料教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 收稿日期:2023年12月21日;录用日期:2024年1月24日;发布日期:2024年1月30日 摘摘 要要 通过化学气象沉积通过化学气象沉积(CVD)的方法合成了块状硒化铟的方法合成了块状硒化铟(InSe)晶体,后对制得的块状晶体,后对制得的块状InSe进行了系列表征,并进行了系列表征,并通过机械剥离的方法得到了二维通过机械剥离的方法得到了二维(2D)InSe纳米片。同时构建了场效应晶体管纳米片。同时构建了场效应晶体管(FET),考察了,考察了InSe纳米片纳米片的电学性能,并测试了器件对二氧化氮的电学性能,并测试
3、了器件对二氧化氮(NO2)的气敏性能。实验表明,所搭建的的气敏性能。实验表明,所搭建的InSe场效应晶体管具有场效应晶体管具有良好的电学性能,并在室温下对良好的电学性能,并在室温下对NO2具有良好的响应。具有良好的响应。关键词关键词 化学气象沉积,硒化铟,场效应晶体管,二氧化氮化学气象沉积,硒化铟,场效应晶体管,二氧化氮 Preparation and Gas Sensitivity of Indium Selenide Field Effect Transistor Jiaxin Cao,Jianbo Sun*The Key Laboratory for Photonic and Elect
4、ronic Bandgap Materials,Ministry of Education,School of Physics and Electronic Engineering,Harbin Normal University,Harbin Heilongjiang Received:Dec.21st,2023;accepted:Jan.24th,2024;published:Jan.30th,2024 Abstract Bulk indium selenide(InSe)crystals were synthesized by chemical meteorological deposi
5、tion(CVD).The bulk InSe crystals were characterized and two-dimensional(2D)InSenanosheets were obtained by mechanical peeling-off method.Field effect transistors(FETs)were also constructed to investigate the electrical properties of InSenanosheets,and the gas sensitivity of the devices to nitrogen d
6、ioxide(NO2)was tested.The experiments show that the constructed InSe FET has good electrical performance and good response to NO2 at room temperature.*通讯作者。曹佳鑫,孙鉴波 DOI:10.12677/app.2024.141004 26 应用物理 Keywords Chemical Meteorological Deposition,Indium Selenide,FET,NO2 Copyright 2024 by author(s)and
7、Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 气体传感器在环境检测、食品安全、疾病诊断以及工业节能等领域都有广泛应用。二氧化氮(NO2)是一种常见的有害气体,大气中的 NO2含量过多,不仅会严重影响空气质量,还会对人体的呼吸系统、心脑血管等造成严重损害,加之随着双碳计划的推进,对检测 NO2的气体传感器带来了新一轮的增
8、长需求1。在过去的大多数研究中,传统的基于金属氧化物半导体的气体传感器被更多报道,但这种气体传感器仍具有灵敏度低、选择性较差、不能完全恢复、必须工作于高温下、功耗较高等缺点2。因此,开发在室温下具有高灵敏度、高选择性和快速响应恢复的 NO2气体传感器具有重要意义。基于场效应晶体管(FET)的气体传感器满足了新的检测要求,近年来引起了广泛关注。FET 型气体传感器通过沟道材料的电学特性变化反映气体分子的吸附,并且可以使用栅极偏压调控沟道的基准电流以调节其工作点,从而在沟道电导最小时工作以获得更大的信噪比和更低的静态功耗3。这种气体吸附诱导的传感方式能够实现传感器的高灵敏度和快速响应恢复,其中,二
9、维材料,被更多地用作 FET 的沟道材料4。不同于传统的半导体材料,2D 材料具有超薄的平面结构,有利于与气体分子完全接触,还可以作为理想的负载平台用于构建复合式 FET 气敏传感器。重要的是,绝大部分基于 2D 材料的 FET 气体传感器可以在没有任何氧离子的情况下工作,从而使得传感器能够在室温下运行5。其中,硒化铟(InSe)是典型的-族金属硫化物,三维块体 InSe 类似于石墨烯层状结构,每层为In-Se-In-Se 四层结构。InSe 具有高电子有效质量、较大的载流子迁移率和可调谐带隙,同时,InSe 具有很高的结构稳定性,这确保了其作为 FET 沟道材料的可行性6。目前,基于 InS
10、e FET 的气体传感器已被验证可以用来检测 NO2气体。Zheng 等人通过湿法转移制备了 InSe/IDE 气体传感器,用来检测 NO2 7。Zhang 等人通过原位氯金酸还原法制备了金纳米颗粒修饰的 InSe 米片,并将其构建成半导体气体传感器用来检测 NO2与 NH3 8。尽管许多研究报告了基于 InSe 的气敏传感应用,但基于 InSe 构建混合维 FET的气敏性能尚未得到研究。受上述研究的启发,本工作通过化学气相沉积合成了块状 InSe,并通过机械剥离得到了 InSe 纳米片,并将其应用于 FET 传感器的传感通道,最终发现所搭建的 InSe 场效应晶体管有较好的电学特性并能够在室
11、温下对 NO2有较好的气敏特性。2.实验部分实验部分 2.1.块状块状 InSe 的制备的制备 使用高纯度的铟和硒(铟/In:99.99%;硒/Se:99.99%)作为原材料,按照 In:Se=1:1.1 的比例将其混合放入洁净的瓷舟中,然后将瓷周放入小石英管中,密封石英管,通入 100 sccm 的高纯 Ar,开启真空泵将炉内石英管抽真空至 200 mTorr;20 min 后,将 CVD 炉的温度快速升温至 300(15/min),并在 300保持 60 min,然后将炉温升至 660(15/min),并保持 120 min;然后自然降温至室温,取出瓷舟,得Open AccessOpen
12、Access曹佳鑫,孙鉴波 DOI:10.12677/app.2024.141004 27 应用物理 到黑亮色的块状 InSe。2.2.表征表征 用 X 射线衍射对产物的晶体结构进行了结构表征(XRD),采用 RigakuD/max2600 衍射仪,2 范围为1070。采用扫描电子显微镜(FE-SEM,SU70,Hitachi,Japan)对样品的微观结构和元素分布进行了分析。2.3.少层少层 InSe 纳米片场效应晶体管的制备纳米片场效应晶体管的制备 取一小块块状 InSe 放置在高斯胶带上,反复黏撕胶带,重复 45 次后,将干净平整的 PDMS 粘在高斯胶带上,保持 20 分钟后,将 PD
13、MS 取下黏在清洗干净的 SiO2/Si 衬底上,保持 30 分钟后,揭去 PDMS,在相应的衬底上得到形状不一的少层 InSe 纳米片;利用光学显微镜定位目标少层 InSe 纳米片,用银胶将100 目的铜网粘在目标少层 InSe 纳米片上,然后将基片放在 80热盘上干燥银胶 30 分钟;然后将基片放入金属热蒸镀仪中蒸镀电极,蒸镀 5/40 nm 的铬(Cr)/金(Au)电极,得到 InSe 场效应晶体管器件,器件结构如图 1 所示。Figure 1.Structure diagram of InSe field effect transistor 图图 1.InSe 场效应晶体管的结构示意图
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