一種多孔氧化物半導體納米薄膜制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法。其技術(shù)方案是，使用共濺射技術(shù)，采用氧化物半導體靶材（或相應金屬靶材）和造孔劑靶材，在Ar或者Ar、O2混合氣氛下，在基底表面同時或者交替沉積薄膜，預制成具有氧化物／造孔劑兩種物相的復合納米薄膜。預制的復合薄膜在經(jīng)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(jié)晶性好、高取向、高孔隙度的納米薄膜。
【專利說明】一種多孔氧化物半導體納米薄膜制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(shù)】:
[0002]在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，易燃易爆、有毒氣體對安全生產(chǎn)以及人群健康產(chǎn)生嚴重威脅，引起了人們的廣泛關(guān)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(chǎn)和人群健康具有著重要意義。
[0003]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(guān)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(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成化學吸附氧02_、0_、02_，在表面建立空間電荷層，形成一定的勢魚，阻礙晶粒間的電子移動，使得材料呈現(xiàn)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(fā)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(jù)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。
[0004]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(jīng)過文獻調(diào)研，常見的氧化物氣敏材料的制備方法有:(I)傳統(tǒng)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(jié)，得到塊體陶瓷，或者幾十到幾百微米的厚膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有氧化物氣敏材料的制備方法燒結(jié)溫度高、比表面積小、器件尺寸大等技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0007]—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:
[0008]I】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。
[0009]2】對步驟I】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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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[0013]組成步驟I】中所形成復合薄膜的兩種組份的物質(zhì)的量之比可以通過各自靶材的濺射功率調(diào)控。
[0014]所制備的薄膜晶粒和孔徑在納米級，孔隙度在0-40%范圍內(nèi)可控，薄膜厚度在50-1000nm 可調(diào)。
[0015]在步驟2】之后還包括將多孔納米薄膜烘干、退火的步驟。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017]1、本發(fā)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(xiàn)有氧化物氣敏材料的制備方法相比，避免了高溫燒結(jié)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(yōu)勢。
[0018]2、本發(fā)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】
[0019]本發(fā)明采用的技術(shù)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(jīng)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(jié)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。
[0020]實施例1:
[0021]將ZnO靶材和NaCl靶材放到共濺射室內(nèi)，抽真空到10_4Pa，通入Ar，氣壓保持在I-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(jié)晶性好、高取向、高孔隙度的ZnO納米薄膜。
[0022]實施例2:
[0023]將金屬Ti靶和CaCl2靶材裝到共濺射室內(nèi)，抽真空到10_4Pa，通入Ar/02=1:1的混合氣，氣壓保持在I-4Pa。對金屬Ti靶和CaCl2靶分別采用直流濺射和射頻濺射，同時對基底沉積，預制成具有Ti02/CaCl2兩種晶相的納米復合薄膜。然后用水對薄膜進行清洗，使得CaCl2造孔劑溶解，得到多孔TiO2納米薄膜。最后將多孔TiO2薄膜烘干，進行退火處理，能得到結(jié)晶性好、高取向、高孔隙度的TiO2納米薄膜。
[0024]實施例3:
[0025]將SnO2靶和NaCl靶材裝到共濺射室內(nèi)，抽真空到10_4Pa，通入Ar，氣壓保持在I-4Pa。采用射頻濺射，交替沉積在基底表面，預制成具有Sn02/NaCl兩種晶相的納米復合薄膜，兩層的厚度分別為IOnm/(0.1-0.5nm)，交替沉積5-100個周期。沉積時須嚴格控制濺射功率和時間，使NaCl形成不連續(xù)的島狀膜，而SnO2膜層平鋪于NaCl顆粒周圍。沉積工藝結(jié)束后，用水對薄膜進行清洗，使得NaCl造孔劑溶解，得到多孔SnO2納米薄膜。最后將多孔SnO2薄膜烘干，進行退火處理，能得到結(jié)晶性好、高取向、高孔隙度的SnO2納米薄膜。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: I】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I】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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特征在于:所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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特征在于:所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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特征在于: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。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特征在于:組成步驟I】中所形成復合薄膜的兩種組份的物質(zhì)的量之比可以通過各自靶材的濺射功率調(diào)控。
6.據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所制備的薄膜晶粒和孔徑在納米級，孔隙度在0-40%范圍內(nèi) 可控，薄膜厚度在50-1000nm可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔氧化物半導體納米薄膜的制備方法，其特征在于:在步驟2】之后還包括將多孔納米薄膜烘干、退火的步驟。
【文檔編號】C23C14/34GK103451609SQ201310390421
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】王浩靜, 李濤濤, 王紅飛, 劉歡, 楊利青, 胡煒杰 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所