[發明專利]一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法

有效

• 申請號: 201310032316.4
• 申請日: 2013-01-28
• 公開（公告）號: CN103101877A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 岳雙林
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明涉及一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法，屬于微納加工技術。

背景技術

隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，利用氣敏傳感器對有毒有害氣體作出快速準確檢測和監控成為當前和未來發展趨勢。到目前為止利用被測氣體在氣敏材料表面吸附時引起其阻值變化來達到檢測目的電阻式氣敏傳感器應用最為廣泛。但該種傳感器是由大量晶粒構成的多晶薄膜或多晶燒結體，存在與氣體接觸面積小的缺點，且傳感器本身體積較大、熱絕緣、熱分布、封裝等均存在嚴重問題。

納米線/納米帶等一維納米材料具有高比表面積、高活性、高結晶度的特點使其在氣敏研究中具有巨大的潛在應用價值，成為解決上述問題行之有效的途徑之一。但是關于一維納米材料氣敏性能研究還處于探索性研究階段，穩定性、氣體選擇性、室溫下工作以及低成本、高效將一維納米線集成到器件中是當前亟待解決的瓶頸問題。

此外，氣敏材料以及與氣體作用的多樣性導致理論發展一直跟不上氣敏傳感器本身的發展，因此理論研究仍是該領域的研究重點。文獻報道單根In₂O₃納米線傳感器在室溫狀態可以對最低濃度到20p.p.b.的NO₂進行探測(參考文獻：D.H.Zhang，Z.Q.Liu，C.Li，T.Tang，X.L.Liu，S.Han，B.Lei?and?C.W.?Zhou，Nano?Lett.4(2004)1919-1924.)，遠低于國家環境空氣質量標準53p.p.b.。然而這種基于單根納米線的傳感器制作成本高、可重復性差、測量信號弱以及長期使用可靠性等方面不理想。納米線薄膜具有更大的比表面積和更多的導電通道，有利于靈敏度提高且易于操縱，缺點是存在大量線之間相互作用，長期使用納米線之間團聚導致這種相互作用發生變化從而使器件穩定性變差。此外，盡管半導體納米線本身電阻很小，但是同納米顆粒薄膜氣敏傳感器一樣，這類材料的氣敏電阻實際上主要由接觸電阻決定(參考文獻：F.H.Ramirez，J.D.Prades，R.J.Diaz，T.Fischer，A.R.Rodriguez，S.Mathur?and?J.R.Morante，Phys.Chem.Chem.Phys.11(2009)7105-7110.)，工作時電子從一晶粒/納米線穿過另一晶粒/納米線，吸附氣體引起晶界勢壘高度發生變化而改變氣敏電阻，這種復雜的氣敏動力學過程不利于從材料本征氣敏特性方面分析氣敏機理。

將氣敏納米線有序排布可以彌補納米線薄膜的不足，2007年Nat.Mater.雜志首次報道了一種有序Si納米線陣列氣敏傳感器，采用微納加工技術以SOI(silion-on-oxide)為襯底自上而下刻蝕出有序Si納米線陣列，然后借助PDMS膠將制備的納米線陣列轉移到柔性襯底上，該納米線陣列顯示出很高的氣體檢測靈敏度，可以檢測到最低濃度為20p.p.b.的NO₂有害氣體(參考文獻：M.C.Mcalpine，H.?Ahmad，D.W.?Wang?and?J.R.Heath，Nat.Mater.6(2007)379-384.)，但是該制備技術受選材所限不能普適于大多數納米線有序化。其后有研究者采用滾軸印刷法將高取向Ge納米線成功轉移到柔性襯底上，此方法僅適用于準直性好、密度大的納米線陣列(參考文獻：Z.Y.?Fan，J.C.Ho，T.Takahashi，R.Yerushalmi，K.Takei，A.C.Ford，Y.L.Chueh，andA.Javey，Adv.Mater.21(2009)3730-3743.)。納米線有序化排布技術在眾多研究領域都有很大應用價值，受到研究者的廣泛關注(參考文獻：G.?Yu，A.Cao，C.M.?Lieber，Nat.Nanotechnol.2(2007)372-377.；P.A.Smith，C.D.Nordquist，T.N.Jackson，T.S.Mayer，B.R.Martin，J.Mbindyo?and?T.E.Mallouk，Appl.Phys.Lett.77(2000)1399-1401.；Y.?Huang，X.F.Duan，Q.Q.Wei?and?C.M.Lieber，Sci.291(2001)630-633.；A.Tao，F.?Kim，C.Hess，J.Goldberger，R.R.He，Y.G.?Sun，Y.?N.Xia?and?P.?D.Yang，Nano?Lett.3(2003)1229-1233.)，到目前為止，還沒有很好的有效組裝各種納米線的普適技術來直接用于氣敏傳感器制作。

發明內容