[發(fā)明專利]多孔硅與氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法

無效

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• 申請日: 2013-05-11
• 公開（公告）號: CN103267784A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡明;馬雙云;李明達(dá);曾鵬;閆文君
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26;G01N27/30
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 張宏祥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于氣敏傳感器的，尤其涉及一種多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件的制備方法。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展與人們生活水平的不斷提高，生產(chǎn)生活過程中帶來的各種氣體污染物大量增加，大量有毒有害氣體及可燃性氣體（如NO₂、NH₃、CO和H₂等）在污染環(huán)境的同時也嚴(yán)重威脅著人類的健康和安全。為此，在人們生活水平的提高以及環(huán)保意識增強(qiáng)的同時，對于生態(tài)環(huán)境的要求也得到越來越多的關(guān)注，各種有毒有害氣體的檢測受到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注與重視，這就為新型高性能的氣敏材料的研究與開發(fā)提供了廣闊的空間。

近年來，氧化鎢被認(rèn)為是極有研究與應(yīng)用前景的半導(dǎo)體氣體敏感材料。氧化鎢屬于n型寬禁帶半導(dǎo)體，在氣體傳感器、光電器件以及光催化等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，尤其是作為一種高性能氣敏材料，可以高靈敏度地探測各種有毒和危險性氣體，如NO₂、H₂S、Cl₂、NH₃等。然而氧化鎢工作溫度遠(yuǎn)高于室溫（200°C～250°C）這一特點(diǎn)使得基于氧化鎢氣敏傳感器結(jié)構(gòu)需要考慮加熱裝置，這極大的增加了傳感器的功耗。有研究表明，一維氧化鎢納米結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的氧化鎢材料相比，其具有更大的比表面積，更大的表面活性以及更強(qiáng)的氣體吸附能力，從而能加快與氣體之間的反應(yīng)，在進(jìn)一步提高靈敏度的同時，對于降低工作溫度具有重要意義。

多孔硅是一種在硅片表面通過腐蝕形成的孔徑尺寸、孔道深度和孔隙率可調(diào)的多孔性疏松結(jié)構(gòu)材料，室溫下即具有很高的表面活性，可檢測NO₂、NH₃、H₂S及多種有機(jī)氣體，且制作工藝易與微電子工藝技術(shù)兼容。但是多孔硅也存在靈敏度相對較低的缺點(diǎn)，在一定程度上制約了實(shí)際應(yīng)用。

采用硅基有序多孔硅復(fù)合氧化鎢納米棒為復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器，使得多孔硅與氧化鎢兩種半導(dǎo)體材料之間形成異質(zhì)結(jié)，因整體納米協(xié)同效應(yīng)而獲得單一材料所不具備的氣敏特性。新型復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器因具有巨大的比表面積以及大的表面活性，有望降低工作溫度，開發(fā)出室溫探測氣敏傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有技術(shù)的單一氣敏材料傳感器存在的缺點(diǎn)，提供一種以多孔硅為基底復(fù)合一維氧化鎢納米棒的方法，可以顯著提高復(fù)合結(jié)構(gòu)敏感材料氣敏傳感器的比表面積，并且利用兩種半導(dǎo)體材料間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移形成的異質(zhì)結(jié)，從而進(jìn)一步提高對探測氣體的響應(yīng)。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

多孔硅與氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，具有如下步驟：

（1）清洗硅基片襯底

將電阻率為10～15Ω·cm的p型單晶硅基片單面拋光，分別經(jīng)過濃硫酸與過氧化氫混合溶液浸泡30～50分鐘、氫氟酸水溶液浸泡20～40分鐘、丙酮溶劑超聲清洗5～15分鐘、無水乙醇超聲清洗5～15分鐘、去離子水中超聲清洗5～15分鐘，以除去表面油污、有機(jī)物雜質(zhì)以及表面氧化層；

（2）制備多孔硅：

采用雙槽電化學(xué)腐蝕法在清洗過的硅基片拋光表面制備多孔硅層，所用腐蝕電解液由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸與質(zhì)量濃度為40%的二甲基甲酰胺組成，體積比為1：2，不添加表面活性劑和附加光照，施加的腐蝕電流密度為50～120mA/cm²，腐蝕時間為5～20min；

（3）制備多孔硅與氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)：

將步驟(2)制備的硅基多孔硅置于水平管式爐中，利用化學(xué)氣相沉積的方法，鎢粉作為鎢源，以氬氣作為工作氣體，氧氣作為反應(yīng)氣體，氣體流量分別控制為10～20sccm和0.5～5sccm，本體真空度為1～5Pa，調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門使得爐內(nèi)壓強(qiáng)保持在50～80Pa；基片與鎢粉之間的距離為14～20cm；以10℃/min的速度加熱到反應(yīng)溫度1100～1300度，恒溫90～120分鐘后，關(guān)閉管式爐電源，在混合氣體氣氛下降至室溫，在多孔硅表面以及孔洞內(nèi)部沉積生長氧化鎢納米棒，制得多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)。

（4）制備多孔硅與氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件：

將步驟(3)中制得的多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)置于超高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室。采用金屬鉑作為靶材，以氬氣作為工作氣體，氬氣氣體流量為20～25sccm，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa，濺射功率80～90W，濺射時間8～12min，基片溫度為室溫，在氧化鎢納米棒表面沉積鉑電極，制成氣敏傳感器元件。