專利名稱：：納米硅氣敏材料及氣敏元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種納米硅氣敏材料及氣敏元件，屬于新材料技術(shù)與納米材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：各種氣體尤其是可燃性氣體和毒性氣體的檢測(cè)監(jiān)控已成為當(dāng)前急需解決的問題，納米氣敏材料的研究對(duì)提高氣敏材料的靈敏度、選擇性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及如何降低工作溫度和縮短響應(yīng)溫度時(shí)間等方面起著重大的作用。針對(duì)氫氣、硫化氫、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、乙醇、丙酮等氣體的納米氣敏材料的研究現(xiàn)狀作了一定的研究，并對(duì)發(fā)展的趨勢(shì)作了展望。由于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境檢測(cè)的迫切需要，氣體傳感器的研究和應(yīng)用開發(fā)一直十分活躍。氣體傳感器是一種新型微量分析技術(shù)，它是把特定的氣體種類及其濃度變成光電等信號(hào)來(lái)表示的功能元件。由于氣體傳感器靈敏度高，選擇性好，攜帶方便和微型化，能用于現(xiàn)場(chǎng)分析和監(jiān)控等特點(diǎn)，因此在環(huán)境監(jiān)測(cè)、石油化工、以及日常生活中越來(lái)越多的被用來(lái)作為有害、易燃易爆氣體的檢測(cè)預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制裝置。目前傳統(tǒng)氣體傳感器存在的主要問題是靈敏度和選擇性等特性不能滿足超微量快速檢測(cè)的要求，但是采用常規(guī)氣體敏感材料很難達(dá)到超微量快速檢測(cè)的水平。最近的納米材料研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器材料進(jìn)入納米尺度后，利用其表面效應(yīng)和尺度效應(yīng)可以大幅度提高傳感器的探測(cè)靈敏度，從而為實(shí)現(xiàn)超微量快速檢測(cè)傳感器開辟了一條嶄新的思路。納米氣敏傳感器具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn)一是納米材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度；二是大大縮小了傳感器的尺寸。納米技術(shù)為新型納米氣體傳感器的發(fā)展提供了一系列優(yōu)良的納米氣敏功能材料，如納米管、納米帶、納米線，納米多孔材料等。目前國(guó)內(nèi)外納米材料氣體傳感器的研究已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。Kong等人2000年首次用單根單壁碳納米管制作為化學(xué)傳感器，用來(lái)檢測(cè)N02和NH3[KongJ,FranklinNR,ZhouCW,ChaplineMQPengS,ChoKJ,DaiHJ.Nanotubemolecularwiresaschemicalsensors,Science2000,287,622-625];2001年王中林研究組將單根Sn02納米帶制作成氣體傳感器，用于測(cè)量CO及NCh[CominiE,FagliaGtSberveglieriGPanZW,WangZL.Stableandhighlysensitivegassensorsbasedonsemiconductingoxidenanobelts,AppliedPhysicsLetters2002,81,1869-1871]。國(guó)內(nèi)的李亞棟研究組[8]研究了Fe203/ZnO核殼納米棒結(jié)構(gòu)對(duì)低濃度可燃性氣體的探測(cè)能力。香港城市大學(xué)李述湯研究組發(fā)現(xiàn)用硅納米線制備的氣體傳感器具有很高的NH3、水蒸汽靈敏度，并且在室溫下能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)銜ZhouXT,HuJQ,LiCP,MaDDD,LeeCS,LeeST.Siliconnanowiresaschemicalsensors,ChemicalPhysicalLetters2003，369,220-224]。在我們發(fā)明的大面積納米硅線制備技術(shù)和太陽(yáng)能電池技術(shù)基礎(chǔ)上[參見中國(guó)專利CN1382626;中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?005100117533;中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朇N200810084205.7;KuiqingPeng,MingliangZhang,AijiangLu,NingBewWong,RuiqinZhang,Shuit-TongLee.OrderedSinanowirearraysviaNanosphereLithographyandMetal-inducedetching.AppliedPhysicsLetters2007,90，163123]，我們發(fā)明了一種基于我們具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)制備的納米硅氣敏材料及氣敏元件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)和提供一種具有高靈敏度的納米硅氣敏材料及其氣敏元件。本發(fā)明提出的納米硅氣敏材料及氣敏元件技術(shù)，其特征在于所述方法依次按如下步驟進(jìn)行1)將硅片依次經(jīng)過丙酮超聲清洗，酒精振蕩清洗，去離子水清洗，酸性清洗液溶液處理；淸洗硅片的目的在于獲得清潔的硅表面；2)利用真空熱蒸發(fā)技術(shù)(或化學(xué)鍍技術(shù))在步驟(1)得到的清潔硅表面沉積20—200nm厚的銀(或金)膜，將沉積有的Ag膜的硅片浸入含有HF+H202+H20(也可以利用Fe(N03)3等氧化劑替換腐蝕液中的H202).的密閉容器中，室溫一80攝氏度之間處理4~180分鐘，即可獲得納米硅氣敏材料；3)將步驟(1)得到清潔硅片直接浸泡入氫氟酸和硝酸銀的混合溶液中，室溫一80攝氏度之間處理4一100分鐘，即可獲得納米硅氣敏材料；4)利用化學(xué)鍍或者電鍍等技術(shù)在步驟(2)和(3)得到納米硅材料表面沉積一層納米鉑(或金)顆粒，即可獲得納米硅氣敏材料；5)在步驟(2)得到納米硅材料表面制備兩個(gè)間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；.6)在步驟(2)得到納米硅材料表面與背面各制備一個(gè)金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；7)在步驟(3)得到納米硅材料表面制備兩個(gè)間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；8)在步驟(3)得到納米硅材料表面與背面各制備一個(gè)金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；9)在步驟(4)得到納米硅材料面制備兩個(gè)間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；IO)在步驟(4)得到納米硅材料表面與背面各制備一個(gè)金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述酸性清洗液為H2S04:H202=4:1(V/V),錄理?xiàng)l件為加熱到沸騰狀態(tài)后保持40—60分鐘。硫酸濃度為98%。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟2氫氟酸濃度范圍為0.2—10mol/L，過氧化氫濃度范圍為0.02_2mol/L,硝酸鐵含量在0.01mol/l-0.50mol/l之間。在上述硅納米線陣列的制備方法中，所述步驟3氫氟酸含量在0.2mol/l-10mol/l之間，硝酸銀含量在0.005mol/l-0.10mol/l之間。圖1為本發(fā)明的納米硅氣敏材料及其氣敏元件示意圖。1金屬歐姆電極2金屬歐米電極3納米硅薄膜層4硅襯底5背電極具體實(shí)施方式1在清洗好的硅片表面用熱蒸發(fā)沉積30nm厚的Ag膜，再將沉積有銀膜的樣品浸入含有氫氣酸和過氧化氫混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和過氧化氫的濃度分別為1.0mol/L和0.1mol/L)處理20分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式2在清洗好的硅片表面用化學(xué)鍍沉積30nm厚的Ag膜，再將沉積有銀膜的樣品浸入含有氫氟酸和過氧化氫混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和過氧化氫的濃度分別為4.0mol/L和0.2mol/L)處理30分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式3在清洗好的硅片直接浸入含有氫氟酸和硝酸銀混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和硝酸銀的濃度分別為4.0mol/L和0.02mol/L)處理30分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式4在清洗好的硅片表面用化學(xué)鍍沉積30nm厚的Ag膜，再將沉積有銀膜的樣品浸入含有氫氟酸和過氧化氫混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和過氧化氫的濃度分別為4.0mol/L和0.2mol/L)處理40分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面和背面分別沉積金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式5在清洗好的硅片直接浸入含有氫氟酸和硝酸銀混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和硝酸銀的濃度分別為4.0mol/L和0.02mol/L)處理60分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面和背面分別沉積金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式6在清洗好的硅片直接浸入含有氫氟酸和硝酸銀混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和硝酸銀的濃度分別為4.5mol/L和0.01mol/L)處理40分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式7在清洗好的硅片表面用熱蒸發(fā)沉積30nm厚的Ag膜，再將沉積有銀膜的樣品浸入含有氫氟酸和過氧化氫混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和過氧化氫的濃度分別為4.5mol/L和2.0mol/L)處理20分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。具體實(shí)施方式8在清洗好的硅片表面用熱蒸發(fā)沉積50nm厚的Ag膜，再將沉積有銀膜的樣品浸入含有氫氟酸和過氧化氫混合溶液的密閉容器釜中(氫氟酸和過氧化氫的濃度分別為4.5mol/L和0.5mol/L)處理20分鐘，即可獲得大面積納米硅材料。在納米硅材料表面沉積間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件。權(quán)利要求1、納米硅氣敏材料及氣敏元件，其特征在于所述方法依次按如下步驟進(jìn)行1)將硅片依次經(jīng)過丙酮超聲清洗，酒精振蕩清洗，去離子水清洗，酸性清洗液處理；清洗硅片的目的在于獲得清潔的硅表面；2)利用真空熱蒸發(fā)技術(shù)(或化學(xué)鍍技術(shù))在步驟(1)得到的清潔硅表面沉積一層銀(或金)膜，將沉積有的Ag膜的硅片浸入含有HF+H2O2+H2O(也可以利用Fe(NO3)3等氧化劑替換腐蝕液中的H2O2)的密閉容器中，室溫—80攝氏度之間處理4—180分鐘，即可獲得納米硅氣敏材料；3)將步驟(1)得到清潔硅片直接浸泡入氫氟酸和硝酸銀的混合溶液中，室溫—80攝氏度之間處理4—180分鐘，即可獲得納米硅氣敏材料；4)利用化學(xué)鍍或者電鍍等技術(shù)在步驟(2)和(3)得到納米硅材料表面沉積一層納米鉑(或金)顆粒，即可獲得納米硅氣敏材料；5)在步驟2(或步驟3、4)得到納米硅材料表面制備兩個(gè)間隔一定距離的金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；6)在步驟2(或步驟3、4)得到納米硅材料表面與背面各制備一個(gè)金屬歐姆電極，引出外引線后即可成為一個(gè)簡(jiǎn)單的氣敏元件；2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅氣敏材料及氣敏元件的制備方法，其特征在于所述酸性清洗液為H2S04:H202=4:1(V/V)，處理?xiàng)l件為加熱到沸騰狀態(tài)后保持40—60分鐘。硫酸濃度為98%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅氣敏材料及氣敏元件的制備方法，其特征在于所述步驟2氫氟酸濃度范圍為0.2_10mol/L，過氧化氫濃度范圍為0.02—2mol/L，硝酸鐵含量在0.01mol/l-0,50mol/l之間。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米硅氣敏材料及氣敏元件的制備方法，其特征在于所述步驟3氫氟酸含量在0.2mol/l-10mol/l之間，硝酸銀含量在0.005mol/l-0.10mol/l之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種屬于新材料技術(shù)與納米材料領(lǐng)域的納米硅氣敏材料及氣敏元件。其特征在于采用金屬催化硅腐蝕制備納米硅，適當(dāng)添加鉑(或金)等催化劑，可以制得基于納米硅的氣敏材料及對(duì)一氧化氮、二氧化氮等氮氧化合物氣體、氨氣等氣體敏感的氣敏元件。本發(fā)明具有元件選擇性好，抗溫、濕性能好，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)環(huán)境污染，工藝穩(wěn)定，重復(fù)性好，便于批量生產(chǎn)。文檔編號(hào)G01N27/00GK101419179SQ20081018312公開日2009年4月29日申請(qǐng)日期2008年12月12日優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日發(fā)明者彭奎慶,新王申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)