[發明專利]一種多孔氧化物半導體納米薄膜制備方法

有效

• 申請號: 201310390421.5
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103451609A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 王浩靜;李濤濤;王紅飛;劉歡;楊利青;胡煒杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/58;B82Y40/00;G01N27/12
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 王少文

技術領域

本發明涉及一種多孔納米薄膜的制備方法，尤其涉及一種高孔隙度、可用于氣敏傳感的多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法。

背景技術：

在工業生產和日常生活中，易燃易爆、有毒氣體對安全生產以及人群健康產生嚴重威脅，引起了人們的廣泛關注。對易燃易爆、有毒氣體進行精確檢測和定量分析，對安全生產和人群健康具有著重要意義。

在有害氣體檢測方法中，氧化物氣敏元件由于使用方便、靈敏度高、價格便宜而受到廣泛關注。氧化物氣敏傳感的原理是：在空氣中，氧化物氣敏材料表面吸附空氣中的氧分子，并產生電荷轉移，形成化學吸附氧O^2-、O^-、O^2-，在表面建立空間電荷層，形成一定的勢壘，阻礙晶粒間的電子移動，使得材料呈現較高電阻率。在一定溫度下，當氣敏材料與CO、H₂、丙酮、甲苯、二甲苯、苯等還原性氣體等接觸時，待測氣體與吸附氧發生反應，使得界面勢壘降低，材料的電阻率隨之降低。從而，可以根據半導體材料電阻率的變化，檢測空氣中還原性氣體的濃度變化。

基于氣敏傳感材料的表面吸附原理，要求其具有較大的比表面積。經過文獻調研，常見的氧化物氣敏材料的制備方法有：(1)傳統陶瓷成型工藝、(2)流延法、(3)sol-gel法，這三種方法是將氧化物粉體壓制成生坯，或者將粉體配制成漿料，涂覆、印刷成厚膜，然后在一定溫度下進行燒結，得到塊體陶瓷，或者幾十到幾百微米的厚膜。

發明內容

為解決現有氧化物氣敏材料的制備方法燒結溫度高、比表面積小、器件尺寸大等技術問題，本發明提供一種多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法。

本發明的技術解決方案如下：

一種多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】采用兩種不同成分的靶材，其中一種靶材的成分為具有半導體特性的金屬氧化物，或與該金屬氧化物對應的金屬；另一種靶材的成分為可溶于水的鹽類。將此兩種靶材通過共濺射法在基底表面同時或交替沉積薄膜，預制成具有氧化物/可溶鹽兩種晶相的復合納米薄膜。

2】對步驟1】所得到的復合納米薄膜進行水洗，使可溶鹽溶解，得到多孔納米薄膜。

上述金屬氧化物靶材為ZnO、SnO₂或TiO₂，對應的金屬為Zn、Sn或Ti，所述可溶鹽類可以為NaCl、KCl或CaCl₂等。

上述共濺射法可為磁控濺射法、離子束濺射沉積法、脈沖激光沉積法中的一種或者兩種以上共沉積。

濺射過程中，造孔劑不與氧化物反應、不固溶，或者固溶后對氧化物導電性不造成負面影響

組成步驟1】中所形成復合薄膜的兩種組份的物質的量之比可以通過各自靶材的濺射功率調控。

所制備的薄膜晶粒和孔徑在納米級，孔隙度在0-40%范圍內可控，薄膜厚度在50-1000nm可調。

在步驟2】之后還包括將多孔納米薄膜烘干、退火的步驟。

本發明的有益效果：

1、本發明采用共濺射-脫鹽工藝路線制備的納米級多孔薄膜材料，與現有氧化物氣敏材料的制備方法相比，避免了高溫燒結工序，可以精確控制薄膜厚度，使薄膜具有更大的比表面積，因而具有更高的靈敏度、更快的響應速度和更低的工作溫度等優勢。

2、本發明薄膜制備方法工藝一致性好，制備的薄膜強度高，能滿足集成化、微型化、多功能化、低功耗等要求，是可行的氣敏材料實施方案。

具體實施方式

本發明采用的技術方案是：使用共濺射法，采用氧化物半導體（或相應金屬靶材）、可溶性造孔劑鹽兩種靶材，在Ar或者Ar、O₂混合氣氛下，在基底表面同時或交替沉積薄膜，預制成具有氧化物/造孔劑兩種晶型的復合納米薄膜。預制的復合薄膜在經過水洗后，造孔劑被溶解，得到多孔的納米薄膜。最后將薄膜烘干，進行退火處理，能得到結晶性好、高取向、高孔隙度的納米薄膜。所制備的薄膜晶粒和孔徑在納米級，孔隙度在5-40%，薄膜厚度在50-1000nm。

實施例1：

將ZnO靶材和NaCl靶材放到共濺射室內，抽真空到10^-4Pa，通入Ar，氣壓保持在1～4Pa，采用射頻濺射法，同時對基底沉積，預制成具有ZnO/NaCl兩種晶相的納米復合薄膜。然后用水對薄膜進行清洗，使得NaCl造孔劑溶解，得到多孔ZnO納米薄膜。最后將多孔薄膜烘干，進行退火處理，能得到結晶性好、高取向、高孔隙度的ZnO納米薄膜。

實施例2：