室温下用于高性能H2气体传感器的Pt–多孔GaN的双重孔隙率和表面功能化效应 *

1. 概述

        本研究报道了使用硫处理的铂（Pt）修饰的多孔GaN在室温下实现高达25ppm的H2检测。这一成就归功于大的横向孔径、Pt催化剂和使用有机硫化物的表面处理。通过在30 ppm H2下提供22 meV的吸附活化能，研究了H2气体传感器的性能作为操作温度的函数，证实了硫化物处理的Pt–多孔GaN传感器的更高灵敏度。

        此外，硫化物处理的Pt–多孔GaN气体传感器的传感响应随着孔隙率（表面体积比）和孔径的增加而增加。使用Knudsen扩散-表面反应方程，模拟并拟合了多孔GaN层内的H2气体浓度分布，表明H2扩散因其低扩散速率而受到小孔半径的限制。模拟的气体传感器对H2的响应相对于孔径显示出与实验数据所观察到的相同的趋势。硫化物处理的Pt–多孔GaN传感器在室温下实现了125 nm孔径的超灵敏H2检测。

2. 样品制备

        本研究通过金属辅助化学蚀刻法在来自中芯晶研的c轴（0001）蓝宝石基非故意掺杂n型GaN薄膜上制备多孔GaN。该GaN薄膜电阻率低于0.05Ωcm，厚度约为30μm，载流子浓度为3.4×10¹⁷ cm^–3。

        通过在丙酮中超声处理，然后在每种溶液中用2-丙醇超声处理5分钟来清洁GaN样品。此外，将样品在65°C的硝酸（HNO3）中浸泡15分钟，然后用去离子水和甲醇冲洗。使用溅射系统在GaN样品上沉积两个相隔几毫米的10nm厚的Pt窄条。然后，在UV照射下，将样品在H2O2/HF/CH3OH（2:1:2）溶液中蚀刻不同的蚀刻时间（10、20和30分钟）。化学蚀刻后，将样品从溶液中取出，并用去离子水冲洗。纤锌矿多孔GaN纳米结构蚀刻30分钟的X射线衍射图如图1所示。

图1 多孔GaN纳米结构纤锌矿的X射线衍射图

        对于表面钝化，将多孔GaN样品浸入EDT（99.99%，Sigma-Aldrich）中5分钟，之后用乙醇冲洗并用N2干燥。然后使用超高真空室将半径为5nm的Pt纳米颗粒沉积在多孔GaN层的表面上，用于纳米颗粒生成。在感测测量之前，使用电极硬掩模，通过溅射系统在顶表面上沉积厚度为100nm的Pt/Ni电接触。

图2 所制造的H2气体传感器装置的光学显微镜图像

3. 结论

        本研究成功地制备了一种新的硫化物处理的Pt–多孔GaN H2传感器。硫化物表面处理的Pt/多孔GaN传感器的传感性能得到了增强，在室温下对低H2气体浓度（30ppm）具有高灵敏度。传感特性取决于操作温度，并且在30ppm H2下测定了22meV的吸附活化能。

        此外，由于孔隙半径和密度的变化，孔隙率（表面体积比）的增加影响了气体传感器的性能。使用Knudsen扩散模拟了EDT/Pt–多孔GaN在不同孔径下的H2气体浓度分布。模拟结果显示H2容易从具有大直径的孔隙中扩散。对于模拟和实验数据，传感器相对于孔径的响应显示出相同的趋势。硫处理的Pt–多孔GaN传感器涉及低技术制造步骤，成本低，并在室温下提供高性能。因此，硫处理装置有望提高传感器应用中的氢灵敏度。

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