[發(fā)明專利]一種CuO/Si異質(zhì)PN結氫氣傳感器及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211440511.6
• 申請日: 2022-11-17
• 公開（公告）號: CN115791903A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設計）人: 張成云;吳潤民;楊海林;黃思迪;楊家豪
• 申請（專利權）人: 廣州大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;C23C14/08;C23C14/35;C23C14/02
• 代理公司: 北京八月瓜知識產(chǎn)權代理有限公司 11543
• 代理人: 秦瑩

本發(fā)明涉及氫氣傳感器技術領域，尤其是涉及一種CuO/Si異質(zhì)PN結氫氣傳感器及其制備方法，首先使用飛秒脈沖激光對N型Si片進行處理，可在N型Si片表面誘導出尖錐狀納米結構，不僅提高了傳感器的比表面積，而且其周期性規(guī)律排列的納米結構進一步提高了對氣體分子的吸附性能；然后，使用磁控濺射的方法在N型Si片的表面制備連續(xù)好、結晶度高的P型CuO納米薄膜；最后，選擇適當?shù)碾姌O材料，制備CuO/Si異質(zhì)PN結氫氣傳感器。本發(fā)明的制備過程相比于現(xiàn)有技術綠色環(huán)保，易于運作和操控，并且所制備得到的PN結型(CuO/Si)氫氣傳感器可在室溫環(huán)境下工作，具有優(yōu)異的傳感性能，較高的靈敏度，具有良好的應用前景。

技術領域

本發(fā)明涉及氫氣傳感器技術領域，尤其是涉及一種CuO/Si異質(zhì)PN結氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術

在現(xiàn)代生活中，科技的發(fā)展與進步離不開各類能源的使用，新能源氫能在如今的能源市場得到了越來越廣泛的應用。相對于傳統(tǒng)能源來說，氫能有著許多的優(yōu)勢，第一，氫能效率高，并且燃燒產(chǎn)物對環(huán)境有著較小的破壞與污染，與太陽能、核能等新型能源一起被應用在了各個領域；第二，電解水等工藝較為成熟，產(chǎn)氫簡單、可靠，可滿足大規(guī)模使用的需求。

但是，氫氣分子小，在生產(chǎn)、存儲、運送與安裝使用過程中非常容易產(chǎn)生人為或非人為的泄露，并且其顏色透明、沒有氣味，且著火點相對較低，當其空氣濃度在4％-75％之間時，遇到明火就會爆炸，因此在許多場合就需要對氫氣進行實時的檢測，以保證安全。可見，對氫氣的探測和實時報警具有非常重要的意義。

氧化銅(CuO)是一種常見的氣敏材料，在遇到還原性氣體((如氫氣)時，其表面吸附的O^-會與該還原性氣體發(fā)生反應釋放出電子，CuO內(nèi)部載流子濃度發(fā)生變化，造成其電阻(電流)發(fā)生改變，若再將其置于空氣氛圍中，其電阻又會恢復。與此同時，其穩(wěn)定性良好、無毒、價格低且制備簡單，因此其被廣泛應用于氣體傳感領域。然而，單一的CuO靈敏度較低、響應和恢復時間較長、選擇性極差，遇到VOCs時也易與其反應，容易造成較大的誤差，故在氣體傳感領域常將其與其他材料組合，形成復合材料。

硅(Si)是一種被廣泛應用于半導體領域的物質(zhì)，其集成性好，穩(wěn)定性強，無毒害，且制造工藝成熟，對其進行不同元素的摻雜可以得到不同類型的Si半導體，能夠其他半導體形成各式的結組合，這些結組合被廣泛應用于氣體傳感、電子線路等領域。N型Si與P型氧化銅結合形成PN結，能大大提升其對氫氣的靈敏度，縮短響應時間和恢復時間，且基于Si本身的性質(zhì)，使得兩者能更易結合到電子器件當中，從而利于集成化。

P型CuO與N型Si結合形成異質(zhì)結型氫氣傳感器時，兩者形成PN結，當遇到還原性氣體時(例如氫氣)，大量的O^-與還原性氣體氫氣結合形成水，并釋放出大量的自由電子，造成其內(nèi)部空間電荷區(qū)發(fā)生改變，基于此原理可以制作出PN結型氫氣傳感器。

PN結型(CuO/Si)氫氣傳感器具有優(yōu)異的傳感性能，較高的靈敏度、較小的反應和恢復常數(shù)，并且Si基更易集成，具有良好的應用前景。

現(xiàn)有技術中，制備PN結型(CuO/Si)氫氣傳感器有化學合成、退火沉積等方法。化學方法主要包括氧化法和電化學法，其中，氧化法需要銅鹽作為氧化銅的來源，且需要進行有機物氧化等操作，而有機物原料對環(huán)境有害，且形成氧化銅過程較為復雜；電化學法需要將金屬銅作為電極，用電解的方式，沉積得到CuO薄膜，最后將其與N型Si結合形成PN結型氫氣傳感器，該方法工藝較為復雜，成本較高，并且難以大規(guī)模制備；退火沉積法中需要先將一定厚度的Cu層熱包覆于N型Si襯底上，然后將其置于300℃下退火4小時使其氧化，得到異質(zhì)結結構，該方法形成的CuO難以成為連續(xù)性較好的膜，且Si易于退火環(huán)境下被氧化，造成異質(zhì)結形成不均，傳感效果變差。

有鑒于此，提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容