诸多研究表明,湿敏传感器的性能表现一方面和传感器材料的结构有关,另一方面和敏感材料本身的湿敏特性有关。具有较大比表面积的传感器一般具有较大的湿敏响应度,所以人们越来越多的制作或采用比表面积较大的材料作为载体,用来复合(装载/掺杂)具有较好湿敏性能的敏感材料来制作高性能湿敏传感器,或者直接用湿敏性能较好的材料制作比表面积较大的湿敏传感器。硅纳米孔柱阵列(Si-NPA),由微米级的多孔硅柱阵列和支撑硅柱的多孔层组成,具有多层次的微观结构,所以具有较大比表面积。由硅柱和多孔层构成的沟道网络有助于水分子输运,已经被证明比较适合作为湿敏传感器,或者湿敏传感器的基底。作为Ⅱ-Ⅵ族成员之一的氧化锌(ZnO)纳米材料,性能稳定,且具备众多的微观形貌,可以用来构造形貌丰富且具有较大比表面积的湿敏传感器。硫化镉(CdS)也是Ⅱ-Ⅵ族成员之一,具有较强的亲水性能,有研究表明是一种较有前景的湿敏材料。为了能够得到具有较大响应度和较好响应恢复性能的湿敏传感器,本文选择用Si-NPA作为基底,以两种Ⅱ-Ⅵ族半导体材料作为湿敏材料,用ZnO纳米材料来增加比表面积,同时作为湿敏材料,然后在ZnO纳米材料表面生长CdS纳米材料,一方面进一步增大比表面积,另一方面利用它的湿敏性能,构建了一种“芝麻糖”束构成的阵列结构(CdS/ZnO/Si-NPA)。测试后发现,该湿敏传感器具有极大的电容响应度和较快的响应恢复速度。另外,为了进一步研究其湿敏机理,分别单独在Si-NPA上生长了 CdS和ZnO,并用氯化锂(LiCl)来改善CdS/Si-NPA和ZnO/Si-NPA的湿敏性能,发现少量LiCl的加入就可以对其性能产生明显的改善。具体研究工作如下:1、“芝麻糖”束阵列结构——CdS/ZnO/Si-NPA湿敏传感器首先用CVD法在Si-NPA上生长一种ZnO纳米棒束的阵列结构,这能够使传感器的比表面积得到增大,同时ZnO也是一种湿敏材料,从而能从两方面提升传感器的性能。用SILAR法在ZnO纳米棒上生长CdS纳米粒子,形成了一种“芝麻糖”束的阵列结构,ZnO纳米棒作为棒状“糖”,CdS纳米粒子作为“芝麻”,一方面使得传感器的比表面积增大,另一方面CdS是一种具有较大亲水性的物质,对水分子的吸附能力较大,能够使得湿敏性能进一步增强。经过湿敏测试,发现在20 Hz时,CdS/ZnO/Si-NPA的电容响应度达到了201530%;在1-95%RH之间具有较短的静态响应恢复时间,分别为110 s和32 s;其湿滞较小,为75%RH处的2.67%。分析认为,CdS/ZnO/Si-NPA对湿度高敏感的特性应该归因于此材料具有非常大的比表面积和材料较好的感湿性能;较短的响应恢复时间和较小的湿滞则归因于Si-NPA的沟道网络结构,以及CdS和ZnO的协同作用。因此,CdS/ZnO/Si-NPA可以作为一种具有高性能湿敏传感器的材料体系,为高性能的湿敏传感器制作提供了一种思路,对后续工作开展提供了参考价值。2、CdS/Si-NPA的感湿特性以及LiCl对其复合改性的研究为了进一步揭示CdS/ZnO/Si-NPA的感湿性能与机理,用SILAR法在Si-NPA上生长零维的CdS纳米粒子并制作CdS/Si-NPA湿敏传感器。实验结果发现,CdS/Si-NPA具有较大的电容响应度,但比CdS/ZnO/Si-NPA湿敏传感器的小得多,分析认为CdS/ZnO/Si-NPA湿敏传感器具有“芝麻糖”状的阵列结构,相比CdS/Si-NPA湿敏传感器的“火山口”状阵列,CdS/ZnO/Si-NPA具有更大的比表面积,所以CdS/ZnO/Si-NPA具备更大的湿敏响应度。另外,CdS/Si-NPA的响应时间相对较长,所以CdS可能是导致CdS/ZnO/Si-NPA湿敏传感器响应恢复性能不佳的原因。CdS/Si-NPA在高湿环境中的响应恢复时间较长,湿滞较大,重复性较差等问题都比较明显。综上初步分析得出,CdS/ZnO/Si-NPA传感器的巨大响应度,很大一方面来自CdS的亲水性,另一方面来自CdS/ZnO/Si-NPA材料自身巨大的比表面积;CdS/ZnO/Si-NPA的响应速度不快的原因,初步分析是由于CdS纳米粒子的响应速度较慢所致。为了提高CdS/Si-NPA湿敏传感器的湿敏性能,考虑复合LiCl来进行改善。从响应特性上看,复合LiCl后,湿敏传感器的响应恢复时间得到了较大的缩减。湿滞测试、重复性测试和稳定性测试的结果显示LiCl:CdS/Si-NPA在中低湿下表现出非常小的湿滞(1.36%,在11%RH),并具备优秀的重复性能(在3个回合中保持基本不变),在长达7 h的稳定性测试中,表现优秀,说明LiCl:CdS/Si-NPA湿敏传感器在11-54%RH范围内具有很好的湿敏性能。3、ZnO/Si-NPA的感湿特性及LiCl对其复合改性的研究为了搞清CdS/ZnO/Si-NPA湿敏传感器中,ZnO纳米棒对传感器湿敏性能的影响,用CVD法在Si-NPA上生长ZnO纳米棒,并最终制作了 ZnO/Si-NPA湿敏传感器。对ZnO/Si-NPA的湿敏性能进行系统的测试后,发现ZnO/Si-NPA湿敏传感器拥有较快的响应速度,并且其湿度检测范围也比CdS/Si-NPA的宽,达到了 11-75%RH,分析认为CdS/ZnO/Si-NPA较宽的湿度检测范围可能很大程度上归因于ZnO/Si-NPA的湿敏性能;就响应恢复速度而言,ZnO/Si-NPA的比CdS/ZnO/Si-NPA 的快,而 CdS/ZnO/Si-NPA 的又比 CdS/Si-NPA 的快,所以CdS/ZnO/Si-NPA的响应速度是CdS和ZnO共同作用的结果。ZnO/Si-NPA的电容响应度比CdS/Si-NPA的要小一个量级,所以CdS/ZnO/Si-NPA传感器的巨大的电容响应度应该归功于CdS的亲水性能和CdS/ZnO/Si-NPA具有的大比表面积特点。鉴于LiCl复合CdS/Si-NPA的良好效果,考虑对ZnO/Si-NPA进行LiCl的复合。复合LiCl后,传感器的性能有很大提升,响应速度加快,稳定性得到提高,感湿特性曲线的线性度也得到较大提高,湿滞大幅度减小,且具有非常好的重复特性,说明复合LiCl确实能够提高ZnO/Si-NPA的湿敏性能。