[發明專利]一種具有酒精氣體敏感效應的碳薄膜/硅異質結材料及其制備方法

無效

• 申請號: 200810138337.3
• 申請日: 2008-07-11
• 公開（公告）號: CN101334413A
• 公開（公告）日: 2008-12-31
• 發明（設計）人: 薛慶忠;李群;嚴克友;郝蘭眾;夏丹
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N33/98
• 分類號: G01N33/98;G01N27/407
• 代理公司: 青島高曉專利事務所
• 代理人: 楊大興

技術領域

本發明涉及一種具有酒精氣體敏感效應的碳薄膜/硅異質結材料及其制備方法。

背景技術

酒精氣體傳感器已被廣泛應用于環境監測、化工、安全等領域。目前，大多數酒精氣體傳感器是由金屬氧化物(如鎘、銦、釤的氧化物等)、碳納米管、以及氧化物與稀有金屬的合成物等制成的。金屬氧化物的制備過程比較復雜，往往需要經過低溫下溶液反應、烘干、中溫煅燒、高溫煅燒、老化等過程，整個工序需要數十天的時間，并且某些金屬氧化物對人體有損害(中國發明專利：98125730.5)。碳納米管傳感器需要比較先進的微加工儀器。而氧化物與稀有金屬的合成物制備條件也比較苛刻，工作溫度較高[Sens.Actuators?B?77(2001)443]。

近年來，電導型氣敏傳感器的利用正引起人們的關注。電導型氣敏傳感器是利用待測氣體分子與氣敏材料表面發生吸附或反應而引起電荷的轉移(或電荷載體濃度的變化)，進而導致氣敏材料電導率的變化來檢測待測氣體分子的存在。人們研究了ZnO納米線對酒精氣體的傳感特性，在300℃、1ppm酒精氣體條件下的靈敏度為1.9，200ppm時的靈敏度為47，遠優于ZnO厚膜，顯示出良好的應用前景[Appl.Phys.Lett.84(2004)3654]。人們還研究了ZnO納米花的氣敏特性，發現在300℃時納米花對0.5ppm、50ppm和100ppm酒氣的靈敏度分別為1.6、11.4和14.6，對0.5ppm酒氣的響應時間為2秒。當構成納米花的ZnO納米棒直徑減小時，靈敏度顯著上升[Appl.Phys.Lett.87(2005)213111]。單壁半導體碳納米管構成的場效應晶體管暴露在酒精氣體中時，晶體管的漏電流顯著改變[Nano?Lett?3(2003)877]。納米氧化物的酒精氣敏性通常在高溫下有較好的效果，而且基于納米線或納米管的傳感器制備工藝也較復雜。

目前，還沒有采用碳薄膜/硅異質結材料的電學特性來探測酒精氣體的報道。

發明內容

本發明的目的是要提供一種具有酒精氣體敏感效應的碳薄膜/硅異質結材料及其制備方法。

本發明的目的是這樣實現的，以厚度為0.5～1.0毫米的單晶硅片為襯底，用磁控濺射的方法將純度為99.9％的石墨靶或者將摻雜質量含量為0～10％鐵的石墨復合靶濺射到拋光的單晶硅基片表面上，形成厚度為20～200納米的薄膜，制成碳薄膜/硅異質結材料或者摻雜碳薄膜/硅異質結材料。該材料具有明顯的酒精氣體敏感效應，可用于制造電導型氣敏傳感器。該碳薄膜/硅異質結材料的制備方法是通過以下步驟實施：

(1)取純度為99.9％的石墨粉，或者取純度均為99.9％的石墨粉和鐵粉，通過冷壓的方法，制成含鐵0～10％(質量分數)的石墨復合靶。

(2)先用摩爾濃度為20％的氫氟酸溶液浸泡實驗所需的厚度為0.5～1.0毫米的硅基片5分鐘，然后依次用去離子水、乙醇、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗硅基片5分鐘。

(3)將清洗好的硅基片放入濺射室，開啟抽真空系統進行抽真空。

(4)當背景真空為2×10^-4帕時，通入氬氣，并維持2帕的壓強，待氣壓穩定后，開始用石墨靶濺射，或者用摻鐵的石墨復合靶濺射，濺射功率為50瓦，濺射直流電壓為0.50千伏，濺射時間為5～50分鐘，濺射溫度為室溫至400℃。

(5)濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統繼續工作，使樣品在真空度較高的環境下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫，取出樣品即可。

(6)這樣制備的碳薄膜/硅異質結材料，或者鐵摻雜碳薄膜/硅異質結材料的薄膜厚度為20～200納米，具有明顯的酒精氣體敏感效應。在200ppm酒精氣氛中，材料的電阻值在空氣和酒精氣體中相差50％以上。

本發明所提供的碳薄膜/硅異質結酒精氣敏材料，對酒精氣體具有明顯的敏感效應。用它制造的電導型氣敏傳感器對酒精具有敏感效應，能在室溫下工作，制備簡單，易實現器件的微型化、集成化，且靈敏度高、響應時間短、穩定性好。

附圖說明：

圖1為依據本發明所提供的碳薄膜/硅異質結酒精氣敏材料制造的電導型酒精氣敏傳感器的結構示意圖。

圖2為室溫下依據本發明制作的電導型酒精氣敏傳感器在200ppm酒精氛圍中，在酒精氣和空氣中的電流-電壓曲線。該材料的制備參數：沉積溫度為室溫，濺射時間為30分鐘，薄膜厚度約為100納米。