CN101013098B - 一种具有nh3气体敏感效应的碳/硅异质结材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有NH3气体敏感效应的碳/硅异质结新材料，该材料是通过磁控溅射的方法，将纯度为99.9％的石墨靶或者将含有0～10％(质量分数)的铁的铁-石墨复合靶溅射到抛光的硅基片上，形成一层厚度为20nm～200nm的膜。该碳/硅异质结新材料具有明显的NH3气体敏感效应，可以用于制备NH3气敏传感器，在室温下工作，无须加热器，易实现器件的微型化、集成化，且灵敏度高、响应时间短、稳定性好，生产工艺简单，成本低，具有广阔的应用前景。

Description

一种具有NH3气体敏感效应的碳/硅异质结材料
技术领域：
本发明涉及一种具有NH3气体敏感效应的掺杂碳膜/硅异质结材料。
背景技术：
电导型气敏传感器是利用待测气体分子与气敏材料表面发生吸附或反应而引起电荷的转移(或电荷载体浓度的变化)，进而导致气敏材料电导率的变化来检测待测气体分子的存在。
气敏传感器已被广泛应用于环境监测、化工、食品加工等领域。在各种气敏传感器中，一些金属氧化物传感器以其制备工艺简单，价格低廉等优点而被广泛关注。然而，由于大多数金属氧化物(如ZnO、TiO2、SnO2等)需在300℃左右的温度下工作才能获得较高的灵敏度，因此用这些材料制备的气敏传感器需要一个额外的加热装置。这使得该类金属氧化物气敏传感器的功耗比较大，限制了该类气敏传感器的应用。在一些易燃易爆气体的监测方面，有加热器存在，则存在安全隐患，而且给电导型气敏传感器的微型化、集成化造成困难。此外，还有导电高分子聚合物气敏传感器，可在室温下工作，但其寿命不长，稳定性也不够理想。
发明内容：
本发明的目的是提供一种具有NH3气体敏感效应的新材料。
本发明的目的是这样实现的，它是一种以厚度为0.5～1.0mm的单晶硅片为衬底，用磁控溅射的方法将纯度为99.9％的石墨靶或者将掺杂质量含量为0～10％铁的石墨复合靶溅射到抛光的硅基片表面上，形成厚度为20nm～200nm的薄膜，制成碳薄膜/硅异质结材料或者掺杂碳薄膜/硅异质结材料。该材料具有明显的NH3气体敏感效应，可用于制造电导型气敏传感器。该碳薄膜/硅异质结材料的制备方法是通过以下步骤实施：
(1)取纯度为99.9％的石墨粉，或者取纯度均为99.9％的石墨粉和铁粉，通过冷压的方法，制成含铁0～10％(质量分数)的石墨复合靶。
(2)先用摩尔浓度为20％的氢氟酸溶液浸泡实验所需的厚度为0.5～1.0mm的硅基片5分钟，然后依次用去离子水、丙酮、乙醇在超声波中各清洗硅基片5分钟。
(3)将清洗好的硅基片放入溅射室，开启抽真空系统进行抽真空。
(4)当背景真空为2×10-4帕时，通入氩气，并维持2帕的压强，待气压稳定后，开始用石墨靶溅射，或者用掺铁的石墨复合靶溅射，溅射功率为50瓦(溅射直流电压：0.50KV，溅射直流电流：0.10A)，溅射时间为5至50分钟，溅射温度为室温至400℃。
(5)溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在真空度较高的环境下自然冷却，待样品温度降至室温，取出样品。
(6)这样制备的碳薄膜/硅异质结材料，或者铁掺杂碳薄膜/硅异质结材料的薄膜厚度为20～200nm，具有明显的NH3敏感效应，即材料的电阻值在空气和氨气中相差约两个量级。
本发明所提供的碳/硅异质结NH3气敏材料，对NH3具有明显的敏感效应，用它制造的电导型气敏传感器对NH3具有敏感效应，能在室温下工作，无须加热器，易实现器件的微型化、集成化，且灵敏度高、响应时间短、稳定性好。
附图说明：
图1为依据本发明所提供的碳/硅异质结NH3气敏材料制造的电导型NH3气敏传感器的结构示意图。
图2为在室温下依据本发明所制造的电导型NH3气敏传感器的电阻对氨气的敏感性测试结果示意图。该材料的制备参数：沉积温度为400℃，溅射时间为20分钟，薄膜厚度约为100nm。
图3为室温下依据本发明所制造的电导型NH3气敏传感器的电阻对氨气的敏感性测试结果示意图。该异质结材料的制备参数：沉积温度为室温，溅射时间为20分钟，薄膜厚度约为100nm。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例来详细描述本发明。
实施例1，在一块厚度为1.0mm的硅基片1上用磁控溅射的方法溅射一层厚度为100nm的类金刚石碳薄膜2，在异质结材料上接通直流电源4和电流表5，3为电源线与材料的接点，成为电导型NH3气敏传感器，如图1所示，石墨靶的纯度为99.9％，溅射直流电压为0.50KV，溅射直流电流为0.10A，溅射沉积温度为400℃，溅射时间为20分钟。对样品在室温下的电阻对氨气和空气的敏感性进行了测试，测试结果如图2所示。结果表明：样品在空气中的电阻比在氨气中的电阻小约两个量级。
实施例2，取纯度为99.9％的石墨粉，掺入少量纯度为99.9％的铁粉，用冷压法制成铁的质量含量为5％的铁-碳复合靶。用磁控溅射的方法将铁-碳复合靶溅射到一块厚度为1.0mm的硅晶片1上，在硅晶片上形成一层厚度为100nm的掺铁碳薄膜2，在异质结材料上接通直流电源4，3为电源线与材料的接点，成为电导型NH3气敏传感器，如图1所示，溅射直流电压为0.50KV，溅射直流电流为0.10A，溅射沉积温度为室温，溅射时间为20分钟。对样品在室温下的电阻对氨气和空气的敏感性进行了测试，测试结果如图3所示。结果表明：样品在空气中的电阻比在氨气中的电阻小约两个量级。
与现有技术相比，本发明所提供的碳薄膜/硅异质结NH3气敏材料所制成的气敏传感器具有以下优点：①对NH3具有敏感效应。②在室温下工作，无须加热器，易实现器件的微型化、集成化。③具有灵敏度高、响应时间短、稳定性好、可重复的特点。④生产工艺简单，成品率高、成本低，具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种具有NH3气体敏感效应的碳/硅异质结新材料，其特征是，在一块0.5～1.0mm厚的抛光硅基片上，溅射一层类金刚石碳薄膜，薄膜的厚度为20～200nm。
2.依据权利要求1所述的具有NH3气体敏感效应的碳/硅异质结新材料，其特征是，所说的类金刚石碳薄膜中含有质量含量为0～10％的铁，制成掺杂碳薄膜/硅异质结新材料。
3.依据权利要求1或2所述的具有NH3气体敏感效应的碳/硅异质结新材料，其特征是该材料具有明显的对NH3气体敏感效应，可用于制备电导型NH3气敏传感器。 
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