一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器及其制备方法，属纳米材料制备技术领域。该传感器包括石墨基底、原子力显微镜探针以及负载于石墨基底上的功能单元，功能单元为N掺杂SiC纳米带，其制备方法：有机前驱体与双氰氨粉末按(1.5‑3):1混合并置于石墨坩埚，并将碳纤维布衬底置于坩埚顶部；在气氛烧结炉在氩气下先加热至1000‑1040℃保温8‑12分钟，然后升温至1390‑1420℃保温5‑10分钟，升温至1490‑1520℃，然后冷却至1080‑1120℃，再随炉冷却至室温。本发明专利技术采用大宽厚比、低缺陷密度的单晶N掺杂SiC纳米带作为功能单元，实现了纳米带压力传感器的制备。

A N doped SiC nanobelt high sensitive pressure sensor and its preparation method

The invention relates to a N-doped SiC nanoribbon high sensitive pressure sensor and a preparation method thereof, belonging to the technical field of nanomaterial preparation. The sensor consists of graphite substrate, atomic force microscopy probe and functional unit loaded on graphite substrate. The functional unit is N-doped SiC nanoribbon. The preparation method includes mixing organic precursor and dicyandiamide powder according to (1.5 3:1) and placing the carbon fiber cloth substrate on the top of the crucible, sintering in atmosphere. The furnace is heated to 1000 1040 for 8 12 minutes under argon, then heated to 1390 1420 for 5 10 minutes, heated to 1490 1520 and then cooled to 1080 1120 and then cooled to room temperature with the furnace. The invention adopts single crystal N-doped SiC nanoribbon with large width-thickness ratio and low defect density as functional unit to realize the preparation of nanoribbon pressure sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器及其制备方法，属纳米材料制备

技术介绍
压力传感器由于尺寸小、能耗低、易于集成等优点，在微电子机械系统的应用方面占据了及其重要的地位。由于其成本低廉，工业化技术成熟等特点，硅基半导体压阻式压力传感器被大量应用。然而，在高温环境中，硅材料在很小的应力条件下就会发生塑性形变，器件的可靠性被质疑。为了得到高灵敏、高精度压力传感器，目前研究多关注于有高压阻系数的材料，例如，金刚石薄膜、陶瓷、导电颗粒修饰的绝缘聚合物材料等。但这些硬脆材料，难以满足大应变，长时间使用的要求，并给器件的集成化带来了困难。SiC材料体系拥有优异的耐高温性能，有关SiC材料压阻性能的研究已有20多年。然而，之前的研究多集中在SiC单晶、多晶、非晶材料和SiC陶瓷材料。这类材料给器件的加工、小型化带来困难，并难以制作柔性器件。目前，纳米材料因为尺寸维度的降低，表现出了优异的力学性能，能够承受更大的应变。SiC低维纳米机构压阻特性的研究多集中在纳米线和纳米薄片。纳米带拥有优异的韧性，独特的长径比，大的表面积，赋予其构建性能优异的微型器件方面的优势。但到目前为止，对SiC纳米带压阻特性的研究却鲜有报道。本专利技术以单根N掺杂SiC纳米带作为结构单元，构建了高灵敏压力传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种高温下灵敏度高的N掺杂SiC纳米带压力传感器。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，所述的压力传感器包括石墨基底、原子力显微镜探针以及负载于石墨基底上的功能单元，所述的功能单元为N掺杂SiC纳米带。本专利技术所使用的基底为高定向导电石墨材料。在上述N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器中，所述的N掺杂SiC纳米带的宽度为100-800nm，厚度为10-80nm。在上述N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器中，所述的N掺杂SiC纳米带中N的掺杂量为1-10at.％。在上述N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器中，所述的N掺杂SiC纳米带为n型半导体。在上述N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器中，所述的N掺杂SiC纳米带沿[111]方向生长。上述N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器在67.03nN的压力下，其压阻系数达到10.29×10-11Pa-1，具有很高的灵敏度。在上述N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器中，所述N掺杂SiC纳米带的制备方法包括如下步骤：1)将聚硅氮烷先预处理，然后与双氰氨粉末混合均匀后置于石墨坩埚中，并将碳纤维布衬底放置在坩埚顶部；预处理后的聚硅氮烷与双氰氨的质量比为(1.5-3):1；2)将石墨坩埚及衬底一起置于气氛烧结炉中，在氩气的气氛保护下先加热至1000-1040℃保温8-12分钟，然后升温至1390-1420℃保温5-10分钟，接着升温至1490-1520℃，接着先冷却至1080-1120℃，再随炉冷却至室温，制得N掺杂SiC纳米带。与一步或分两步加热进行烧结不同，本专利技术制备N掺杂SiC纳米带中采用三阶段加热进行烧结，通过先加热至1000-1040℃保温8-12分钟，然后升温至1390-1420℃保温5-10分钟，接着升温至1490-1520℃，能更精确的控制炉温，在每次的保温过程中，能确保炉温达到要求。作为优选，有机前驱体预处理包括热交联固化、球磨粉碎。作为优选，所采用的烧结设备为石墨电阻气氛烧结炉，所采用的的高纯氩保护气氛的纯度为99.99％，也可以采用其他的气氛烧结炉。本专利技术还提供一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：将N掺杂SiC纳米带超声分散在乙醇中；将含有N掺杂SiC纳米带的乙醇溶液滴在导电石墨基底上，自然晾干；在原子力显微镜导电模式下构建压力传感器。通过原子力显微镜探针对N掺杂SiC纳米带施加不同压力，实现不同压力下的电信号检测。所施加压力为纳米带径向压力。尽管现有技术中已经公开了B掺杂SiC纳米带，然而本专利技术传感器中所用的功能单元为N掺杂SiC纳米带，N掺杂SiC纳米带与B掺杂SiC纳米带存在很大的差异：首先，掺杂的元素种类不同决定了半导体材料的类型有本质区别，两种掺杂形成的半导体类型有本质不同：B掺杂SiC纳米带为p型半导体；本申请N掺杂SiC纳米带为n型半导体。而半导体的类型差异，自然就造成半导体性能上的差异，即两种掺杂对半导体能带结构的影响有本质不同：对于B掺杂SiC纳米带：由于B掺杂剂的进入，导致SiC的费米能级向下移动，同时费米能力附近的电子态密度增加；p型半导体中多子是空穴，少子是电子。而本专利技术传感器中的N掺杂SiC纳米带：由于N掺杂剂的进入，导致SiC的费米能向上移动，功函数降低；n型半导体中多子是电子，少子是空穴。再者，两种掺杂对压阻特性的影响机理有本质不同：B掺杂SiC纳米带：由于B掺杂SiC是p型半导体，应力通过改变空穴的有效数量和位置改变了半导体中的载流子有效数量和迁移率，实现对半导体电阻率的调节。本专利技术N掺杂SiC纳米带：由于N掺杂SiC是n型半导体，应力通过改变电子的有效数量和位置改变了半导体中的载流子有效数量和迁移率，实现对半导体电阻率的调节。同样地，尽管现有技术中已经公开N掺杂SiC纳米线，然而本申请N掺杂SiC纳米带与N掺杂SiC纳米线也存在如下区别：器件工作时，球形探针于功能单元的接触面积不同，与纳米带接触是球冠面，与纳米线接触是椭圆面；在器件制作方面，相比于纳米线，本申请中的纳米带与衬底的接触更加可靠。与现有技术中的压力传感器相比，本专利技术采用单晶N掺杂SiC纳米带作为功能单元，实现了纳米带压力传感器的制备。另外本专利技术利用双氰氨作为掺杂元素N的来源，并采用三阶段加热进行烧结，确保炉温，实现对SiC纳米带的N掺杂，制得了大宽厚比、低缺陷密度的高质量N掺杂SiC纳米带，将该具有耐高温等物理特性的纳米带作为功能单元，使本专利技术的传感器具有优异的耐高温性能。附图说明图1为本专利技术实施例1所使用的功能单元N掺杂SiC纳米带的透射电镜(TEM)图；图2为本专利技术实施例1所制得的生长在碳纤维布衬底表面的N掺杂SiC纳米带的低倍和高倍扫描电镜(SEM)图；图3为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带的选取电子衍射(SAED)；图4为本专利技术实施例1制得的纳米材料在透射电镜下的N元素面扫图；图5为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带的能谱(EDS)，右上角为图中局部放大图；图6为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带的X射线衍射(XRD)图；图7为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带压力传感器结构示意图；图8为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带压力传感器在不同压力作用下的电流-电阻(I-V)曲线图；图9为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带压力传感器在不同压力作用下的电阻变化曲线图；图10为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米带压力传感器在不同压力作用下的应变系数变化曲线图；图11和图12均为本专利技术实施例2制得的N掺杂SiC纳米带的扫描电镜(SEM)图；图13为本专利技术对比例1制得的N掺杂SiC纳米线的扫描电镜(SEM)图；图14为本专利技术对比例1制得的N掺杂S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，所述的压力传感器包括石墨基底、原子力显微镜探针以及负载于石墨基底上的功能单元，所述的功能单元为N掺杂SiC纳米带。

【技术特征摘要】
1.一种N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，所述的压力传感器包括石墨基底、原子力显微镜探针以及负载于石墨基底上的功能单元，所述的功能单元为N掺杂SiC纳米带。2.根据权利要求1所述的N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，所述的N掺杂SiC纳米带的宽度为100-800nm，厚度为10-80nm。3.根据权利要求1所述的N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，所述的N掺杂SiC纳米带中N的掺杂量为1-10at.％。4.根据权利要求1所述的N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，所述的N掺杂SiC纳米带为n型半导体。5.根据权利要求1所述的N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，所述的N掺杂SiC纳米带沿[111]方向生长。6.根据权利要求1所述的N掺杂SiC纳米带高灵敏压力传感器，其特征在于，在67.03nN的压力下，其压阻系数达到10.29×10-11Pa-1。7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈善亮，李笑笑，高凤梅，王霖，杨为佑，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33