ZnO纳米线操控的关键工艺及其传感应用研究

发布时间：2020-11-05 15:24

　　随着纳米科技的迅速发展,各种新型纳米材料不断出现,以纳米材料为功能单元的纳米器件,也相继问世。目前,纳米材料性能测试和纳米器件制备大多直接借助诸如半导体测量仪以及原子力显微镜等表征仪器进行,功能不完善；研究开发实施纳米材料机电性能测试、制备纳米器件的操控工艺与装置成为当务之急。本论文针对此需求,研究开发了一套纳米材料操控工艺与装置,并将其成功应用于ZnO纳米线机电性能的测试,制备了ZnO纳米线应变传感器,填补了国内外在纳米操控研究领域的空白。主要内容与创新点如下：提出了动态电化学腐蚀实现大长径比纳米操作臂的制备方法及其优化工艺。分析了动态电化学腐蚀机理与工艺规律,研发了一套全自动大长径比纳米操作臂制备装置,实验研究得到了长度大于2mm、尖端曲率直径小于200nm的纳米操作臂制备最优工艺参数。基于电子束诱导沉积原理,提出了以扫描电子显微镜为基础装置、以石蜡为前驱材料、无需前驱材料泵入装置的纳米焊接工艺。分析了电子束激励石蜡分解和沉积机制,实验研究建立了焊接工艺规律。试验测试证明此工艺连接强度高达2.3×105Pa,完全适用于纳米操控领域。研制了一种基于形状记忆合金的电控纳米镊子,探讨了纳米线静电力作用模型,实现对纳米材料的电控夹持和自由放置操作。设计制作了电控形状记忆合金驱动的纳米镊子,并测试分析了其动力学特性。同时提出了借助静电力实现纳米线自由放置的方法,并深入探究了纳米线受静电力的作用模型以及最优放置工艺参数。基于ZnO纳米线应变下电性能变化特性理论分析和实验研究,提出了ZnO纳米线应变传感特性模型。实验验证所提出模型计算得到应变系数的均方误差在0.5%之内。通过此模型,发现肖特基接触模式灵敏系数是欧姆接触模式灵敏系数的14倍,这对基于ZnO纳米线应变传感器的制备具有极大的指导意义。基于上述纳米操控工艺以及ZnO纳米线应变传感模型,提出了ZnO纳米线的机电性能测试方法和应变传感器封装制备方法。分别测试了单根ZnO纳米线的杨氏模量、电性能以及应变下电性能变化。封装制备了ZnO纳米线应变传感器,实验测试其灵敏系数为448,可以测量微小应变100με,性能远远好于普通商业应变片。本论文研究的纳米材料操控工艺、装置,在一维纳米材料的机电性能测试、以及相应的纳米材料功能器件制备中具有很大的应用前景；提出的ZnO纳米线应变传感特性模型对于揭示金属-半导体结构在应变作用下电性能变化原理、指导制备应变传感器具有非常重要的意义。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB383.1;TQ132.41
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 纳米操控技术的研究现状
    1.3 主要研究内容
2 纳米操作臂制备工艺
    2.1 前言
    2.2 纳米操作臂制备原理
    2.3 纳米操作臂制备装置设计
    2.4 纳米操作臂制备工艺优化
    2.5 本章小结
3 纳米焊接工艺
    3.1 前言
    3.2 电子束诱导沉积原理
    3.3 基于电子束诱导沉积的纳米焊接方法工艺
    3.4 纳米焊接应用与强度测试
    3.5 本章小结
4 电控纳米镊子
    4.1 前言
    4.2 电控纳米镊子设计及动力学测试分析
    4.3 纳米线静电力作用模型及放置操控应用
    4.4 电控纳米镊子的应用
    4.5 本章小结
5 单根ZnO纳米线应变特性及其传感模型
    5.1 前言
    5.2 ZnO纳米线的应变特性
    5.3 ZnO纳米线应变传感模型
    5.4 ZnO纳米线应变传感模型验证
    5.5 本章小结
6 操控方法及工艺的应用
    6.1 前言
    6.2 纳米操控系统建立
    6.3 ZnO纳米线杨氏模量测试
    6.4 ZnO纳米线电性能测试
    6.5 ZnO纳米线应变下电性能变化测试方法
    6.6 ZnO纳米线应变传感器封装制备
    6.7 本章小结
7 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 研究展望
致谢
参考文献
附录1：攻读博士学位期间的主要成果

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