畢精會

(太原科技大學(xué)，太原 030024)

單根氮化硅納米線壓阻效應(yīng)研究

畢精會

(太原科技大學(xué)，太原 030024)

為了實現(xiàn)惡劣環(huán)境下的精密儀器和精確測量，適應(yīng)于惡劣環(huán)境下的壓力傳感器的需求大大增加。首次報道單根氮化硅納米線的橫向壓電效應(yīng)。在不同壓力負(fù)載下，采用導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)對單根氮化硅納米線進行壓阻效應(yīng)測量。計算得到橫向壓電效應(yīng)的系數(shù)在1.8～7.5×10-11Pa-1范圍內(nèi)。壓電電阻系數(shù)和負(fù)載壓力之間的關(guān)系幾乎是線性的。穩(wěn)定和可重復(fù)的電流-電壓曲線通過多次循環(huán)往復(fù)測量完成，表明氮化硅納米線壓力傳感器是相當(dāng)可靠的。

氮化硅納米線;壓阻效應(yīng);壓阻系數(shù);原子力顯微鏡

線[7-10]，碳化硅納米線[11-13]等納米材料已被廣泛的應(yīng)用在各種壓力傳感器制備方面，表明在納微電機械系統(tǒng)中，一維半導(dǎo)體材料將成為測量nN級壓力的一個優(yōu)異的備選制備器件材料。為了實現(xiàn)惡劣環(huán)境下的精密儀器和精確測量，適應(yīng)于惡劣環(huán)境下的壓力傳感器的需求大大增加。不同形狀的Si3N4納米材料[14-19]已經(jīng)制備出來，并且被應(yīng)用在了光學(xué)[20-21]，晶體管等方面。然而，目前還沒有對Si3N4納米線壓阻特性的報道。首次對單根高質(zhì)量的單晶Si3N4納米線壓阻特性進行報道。采用原子力顯微鏡導(dǎo)電模式對Si3N4納米線的壓阻效應(yīng)進行測量，并分析了壓阻的產(chǎn)生機理。該工作將開啟采用Si3N4納米材料制備壓力傳感器的一扇大門。

1 實驗過程

采用高溫?zé)峤饩垆X硅氮烷(polyaluminasilazane)有機前驅(qū)體的方法制備Si3N4納米線納米材料[19]。從基底上刮取少量所制備的Si3N4納米線，將其放入酒精中，將Si3N4納米線與酒精混合物放入超聲儀中超聲5～10 min，可以把Si3N4納米線分散開。將超聲好的混有Si3N4納米線的酒精滴一滴在金屬石墨基底上，采用原子力顯微鏡導(dǎo)電模式對單根Si3N4納米線壓阻進行測量。

2 結(jié)果與討論

圖1(a)和(b)表示在不同倍率下觀測到的Si3N4納米線材料掃描電鏡圖片。從圖中可以看出，Si3N4納米線生長密度高，并且其長度可達到幾毫米，直徑均勻;所制備的Si3N4納米線材料的尺寸分布較均勻，觀察同一根納米帶，可以看到沿著整個納米線的生長方向，納米線的直徑基本沒有變化，分布均勻，并且納米線的表面比較光潔和光滑，沒有其他顆粒的存在，沒有受到污染。

采用原子力顯微鏡對所制備的Si3N4納米線材料進行壓阻性質(zhì)測量。圖2(a)為測量單根Si3N4納米線的示意圖。將制備好的樣片放在原子力顯微鏡平臺上，由圖2(a)可知，Pt/Ir探針針尖、Si3N4納米線、金屬石墨基底經(jīng)過原子力顯微鏡組成了一個電流回路，當(dāng)Pt/Ir針尖對Si3N4納米線施加不同壓力時，在相同電壓下流過Si3N4納米線的電流發(fā)生變化，從而可以對其進行壓阻性質(zhì)測量。

圖2(b)為原子力顯微鏡測量的單根Si3N4納米線形貌圖，由圖示可以看出，所制備的Si3N4納米線表面光滑，直徑均勻。圖2(c)為圖2(b)中虛線所示位置對應(yīng)的高度圖，由其可以看出，所制備的納米材料為納米線結(jié)構(gòu)，其直徑大約為60 nm左右。

圖1 1 300℃下合成的Si3N4納米線不同放大倍數(shù)的SEMFig.1 SEM image of the Si3N4nanowires obtained from 1 300℃under different magnifications

圖2(a) Si3N4納米線壓阻測量示意圖 圖2(b) 單根Si3N4SiC納米線AFM圖片F(xiàn)ig.2(a)chematic diagram for measurement Fig.2(b)epresentative AFM image of nanowire

圖2(c) 圖2(b)中Si3N4納米線所示虛線對應(yīng)的高度圖Fig.2(c)eight data provided 2(b)

圖2(d)不同壓力下，流過Si3N4納米線的電壓-電流圖Fig.2(d)Ⅰ-Ⅴ curves recorded at different forces

圖2(d)為原子力顯微鏡測試的流過氮化硅(Si3N4)納米線材料的電壓-電流圖。由圖中可以看出，不同壓力采用了不同形狀區(qū)分，測試了從43.9 nN～135.3 nN不同壓力下的電壓電流。壓力比較小的情況下，電壓電流圖比較平緩，隨著壓力的增大，電壓-電流圖變的陡峭。

根據(jù)壓阻的定義，Si3N4納米線的壓阻計算公式如下:

其中R0表示未施加壓力時的氮化硅(Si3N4)納米線電阻，當(dāng)對氮化硅(Si3N4)納米帶施加壓力時，其電阻會發(fā)生變化，其變化可記為△R，σ是氮化硅(Si3N4)納米線單位面積上所受到的壓力(σ = F/S，F(xiàn)為 Pt/Ir探針針尖施加壓力，S為氮化硅(Si3N4)納米線受力面積)[22]。

受力面積為Pt/Ir探針針尖與氮化硅(Si3N4)納米帶納米材料之間的接觸面積，由于Pt/Ir探針針尖可看作半徑大約為20 nm球形，由圖2(c)可知，氮化硅(Si3N4)納米線是直徑約為60 nm的圓柱體，因而接觸面積可近似看作為橢球形，長軸沿氮化硅(Si3N4)納米線縱向方向，可記為2ɑ，短軸沿氮化硅(Si3N4)納米線徑行方向，記為2b;他們大小可由以下公式計算得出:

其中，rtip表示Pt/Ir探針針尖的半徑(探針針尖可看為球面)，大小約為20 nm;rnanowire表示氮化硅(Si3N4)納米線半徑(其中平面可看作半徑為無限大的球面)，大小約為30 nm;Δh是氮化硅(Si3N4)納米線沿橫向方向的形變量，由赫茲(Hertz)模型可知，形變可為:

其中，Yeff為氮化硅(Si3N4)納米線楊氏模量，大小為570 GPa，Q為幾何因子。

根據(jù)式(1)～式(4)，壓阻系數(shù)計算公式表示為:

根據(jù)公式(5)，計算得到，當(dāng)所制備的氮化硅(Si3N4)納米線受到壓力大小為43.9～135.3 nN，氮化硅(Si3N4)納米線的壓阻系數(shù)大小為1.8～7.5× 10-11Pa-1，如圖3所示。

圖3 氮化硅(Si3N4)納米線壓阻系數(shù)圖Fig.3 The relationship between the piezoresistance coefficients and the applied forces

由圖4可知，隨著壓力的增加，單根氮化硅(Si3N4)納米線的電阻在減小，這個現(xiàn)象說明壓力可以改變氮化硅(Si3N4)納米線的電子濃度和傳導(dǎo)性。氮化硅(Si3N4)納米線電阻變化與壓力關(guān)系基本呈線性關(guān)系，可分為兩部分，一部分為0～98.7 nN，一部分為98.7～135.3 Nn.并且前半部分變化的速率基本上是后半部分的5倍左右，這表明該氮化硅(Si3N4)納米線在壓力0～98.7 nN之間在壓力傳感器方面有很好的應(yīng)用前景。

圖4 壓力-氮化硅(Si3N4)納米線電阻關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the resistances of thenanowrie and the applied forces

根據(jù)圖2(b)可知，所制備的氮化硅(Si3N4)納米線材料直徑在60 nm附近，遠(yuǎn)大于波爾半徑(＜10 nm)，因而量子效應(yīng)對于氮化硅(Si3N4)納米線壓阻效應(yīng)的產(chǎn)生可忽略。因此推測該氮化硅(Si3N4)納米線壓阻主要還是由壓力引起的表面態(tài)和能帶變化引起的。當(dāng)納米材料收到外力作用形變時，其表層和內(nèi)部會有相反的反應(yīng)[23]。當(dāng)Pt/Ir探針針尖壓到氮化硅(Si3N4)納米線表面時，隨著壓力的增加，氮化硅(Si3N4)納米線表面在Pt/Ir探針針尖位置發(fā)生形變，由于表面發(fā)生形變，引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為了應(yīng)對這種變化，故和表層變化有了相反的趨勢，這種相反的變化會引起氮化硅(Si3N4)納米線表面態(tài)的變化，從而引起其電阻的變化;另一方面是壓力的施加會引其納米材料的能帶的變化[24]，Pt/Ir探針針尖、氮化硅(Si3N4)納米線、金屬石墨之間形成了金屬-半導(dǎo)體-金屬的接觸模式，隨著 Pt/Ir探針針尖對氮化硅(Si3N4)納米線施加壓力時，氮化硅(Si3N4)納米線發(fā)生形變，使得其電阻會發(fā)生變化，并且Pt/Ir探針針尖、氮化硅(Si3N4)納米線之間的肖特基勢也會發(fā)生變化。根據(jù)傳統(tǒng)的熱輻射電子理論，輕微的肖特基勢的減小，由于他們之間指數(shù)關(guān)系的存在，使得反向偏壓的電流大大增加，相同的理論也可以解釋在正向偏壓下，隨著壓力的增大，流過化硅(Si3N4)納米線的電流也隨之增大;另外，考慮到氮化硅(Si3N4)納米帶表面存在著大量的空缺和吸附氧原子，使得流過肖特基勢的隧道電流不可忽視。

3 結(jié)論

利用原子力顯微鏡對氮化硅納米線壓阻效應(yīng)進行測量。在壓力43.9 nN～135.3 nN范圍內(nèi)，其壓阻系數(shù)位于1.8～7.5×10-11Pa-1范圍內(nèi)，壓阻系數(shù)與壓力之間基本呈線性關(guān)系。隨著壓力的增大，氮化硅納米線的電阻在減小，并且在nN級的壓力下有MΩ級別的電阻變化，表明采用氮化硅納米線所制備的壓力傳感器具有優(yōu)異的靈敏性。對碳化硅納米材料壓阻效應(yīng)的測量分析，為其在后續(xù)的制備適用于惡劣環(huán)境下的壓力傳感器件做出了準(zhǔn)備。

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Abstract:To achieve precision instrumentation and accurate measurement，there is increasing need for pressure sensors to be well serviced in harsh environments.We report，for the first time，piezoresistance in single-crystalline Si3N4nanowire by conductive atomic force microscopy(C-AFM).The transverse electromechanical properties of Si3N4nanowire were investigated under various loading forces applied by the C-AFM tip.The calculated transverse piezoresistance coefficient of the nanowire was in the range of 1.8 to 7.5×10-11Pa-1.The relationship between the piezoresistance coefficients and the applied forces was almost linear.Stable and repeatableⅠ-Ⅴ curves through multiple voltage sweepings were accomplished，suggesting that the Si3N4nanowires pressure sensors are quite reliable.

Key words:Si3N4nanowire，piezoresistance behavior，piezoresistance coefficient，C-AFM

Study on Vortex-induced Vibration of Reinforced Concrete Chimneys

CHENG Hong
(Shanxi Architectural Technical College，Taiyuan 030024，China)

A numerical model is presented to evaluate the response of cylindrical structure subjected to vortex excitation.The model can assess displacement amplitude for wind velocities lower than or greater than the critical wind speed.Finally，the numerical simulation on a 100 m reinforced concrete chimney is given to show the good agreement between experimental and simulated responses.

numerical model，vibration，reinforced concrete chimney，vortex

Piezoresistance Properties of Single Si3N4Nanowire

BI Jing-hui
(College of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，china)

O59

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.017

1673-2057(2015)04-0318-05

2015-03-27

太原科技大學(xué)博士啟動基金(20152016)

畢精會(1979-)，女，講師，主要研究方向為微納米制備與器件。

近期發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)材料隨著尺度的減小表現(xiàn)出更為優(yōu)異的壓阻性能[1-2]，因而基于一維納米材料制備的壓力傳感器成為熱點，受到各方面的關(guān)注。目前，碳納米管[3-5]，硅納米線[6]，氧化鋅納米