基于氮化鎵的濕度傳感器的制造、機(jī)理與應(yīng)用

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引言
! ]% U3 p) z% Y氮化鎵(GaN)因具有高電子遷移率、寬能帶隙、生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，成為濕度傳感應(yīng)用的理想材料。GaN的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中，最外層的鎵原子呈現(xiàn)正電性，具有優(yōu)異的配體結(jié)合能力，特別是與陰離子的結(jié)合，通過水分子自電離現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)濕度檢測。
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制造工藝

% V& H: \6 {' j5 U圖1展示了濕度傳感器的制造工藝示意圖，顯示了制造GaN基傳感器件的關(guān)鍵步驟。
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( k6 h& N! s# ]1 u0 P& i. Q圖2顯示了全面的材料表征結(jié)果，包括GaN層的STEM圖像(a)、氮元素分布圖(b)、鎵元素分布圖(c)、交叉電極的STEM圖像(d)、銀元素分布圖(e)、碳元素分布圖(f)，以及GaN(g)和交叉電極(h)的納米輪廓。
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制造過程包含兩個(gè)主要步驟：首先通過脈沖調(diào)制直流磁控濺射沉積GaN感應(yīng)層，其次使用噴墨打印技術(shù)制作交叉電極(IDEs)。濺射過程使用高純度液態(tài)鎵靶材，并以特定流量比混合N2和Ar氣體。為提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量，首先沉積20nm的ZnO緩沖層。
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2 q3 F! Y! |* T/ x4 G材料表征
( a8 N# r8 X0 Y( Q* ^5 C* s5 D0 O6 ~
. z7 b* \+ N" P/ F# d- f圖3展示了材料分析結(jié)果，包括XPS光譜的整體掃描(a)、Ga 3d能帶(b)、N 1s能帶(c)、O 1s能帶(d)、XRD圖譜(e)和拉曼光譜(f)。

- @6 m. t; x% W2 X( }" l傳感機(jī)理與性能
傳感機(jī)理基于水分子與GaN表面的相互作用。暴露在潮濕環(huán)境中時(shí)，水分子發(fā)生自電離，產(chǎn)生氫離子(H3O+)和羥基離子(OH-)。這些離子與GaN表面相互作用，引起電學(xué)性質(zhì)變化，可通過阻抗或電容的變化進(jìn)行測量。
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圖4顯示了濕度測試裝置(a)、1kHz下測量和模擬的阻抗與電容響應(yīng)(b)、阻抗響應(yīng)與恢復(fù)(c)、電容響應(yīng)與恢復(fù)(d)、阻抗穩(wěn)定性(e)和電容穩(wěn)定性(f)。
8 f4 y" q; O4 ]
8 E, i% e& B  e. H5 u# O0 S' \( t傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能特征：

在0-100%相對濕度范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)

電容靈敏度為8.53 nF/RH%

阻抗靈敏度為79 kΩ/RH%

響應(yīng)時(shí)間3.5秒

恢復(fù)時(shí)間9秒

滯后小于3.53%
3 O, C2 B! g, j5 G  [" V
模擬結(jié)果

6 w; i+ l7 c8 H5 o, v圖5展示了模擬結(jié)果，包括相對介電常數(shù)隨頻率的變化(a)、能帶隙隨溫度的變化(b)、電導(dǎo)率隨頻率的變化(c)、電能(d)、相對介電常數(shù)隨溫度的變化(e)和電容響應(yīng)隨溫度的變化(f)。
0 f, D- d# x  h! v9 o! S4 g

" s" y5 ~4 H8 X# [+ L圖6展示了傳感機(jī)理，包括水分子的化學(xué)吸附(a)、電勢的3D視圖(b)、電勢的截面圖(c)、電場線的3D視圖(d)、器件層的截面圖(e)和等效電路(f)。
. K- ^6 g+ G6 k
實(shí)際應(yīng)用
3 k% l  z/ V" d, z0 \
圖7顯示了實(shí)際應(yīng)用，包括傳感器集成到口罩上(a)、人體呼吸的電流響應(yīng)(b)、接近手指時(shí)的時(shí)變電流響應(yīng)(c)和不同距離的測量結(jié)果(d)。
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3 d" a3 i; K/ @' g, w8 E6 l
/ b  ], ]% i* d圖8展示了植物監(jiān)測和肉類新鮮度檢測的應(yīng)用，包括傳感器附著在植物葉片上(a)、植物蒸騰監(jiān)測結(jié)果(b)、氨基酸結(jié)構(gòu)和分解機(jī)理(c)以及肉類新鮮度狀態(tài)的電流響應(yīng)(d)。
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* X/ @. g2 C6 F6 |  I應(yīng)用與展望
傳感器在多個(gè)領(lǐng)域展示了實(shí)用價(jià)值：
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通過口罩集成實(shí)現(xiàn)人體呼吸監(jiān)測

近距離感應(yīng)

智慧農(nóng)業(yè)中的植物蒸騰監(jiān)測

通過氨氣感應(yīng)進(jìn)行肉類新鮮度檢測
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5 W$ M9 w3 k' l1 \" j# P: M7 U! W# s結(jié)合優(yōu)異的傳感性能、生物相容性和溫度穩(wěn)定性，該GaN基濕度傳感器特別適用于從醫(yī)療保健到食品質(zhì)量控制等多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用。
4 S  E4 R" k6 p5 f5 y$ G& F
9 V2 {6 Q, {+ ~參考文獻(xiàn)
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END
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