CN102012385B - 一种具有氢气敏感效应的钯/碳/硅异质结材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有氢气敏感效应的钯膜/碳膜/硅异质结材料，该材料是通过磁控溅射的方法，将纯度为99.9％的石墨靶溅射到抛光的硅基片上，形成一层厚度为20～200纳米的碳薄膜。再在纯碳薄膜上溅射一层厚度为10～30纳米的纯钯膜。该钯膜/碳膜/硅异质结新材料具有明显的氢气敏感效应，可以用于制备电导型或电容型氢气气敏传感器，在室温下工作，制备简单，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
技术领域
本发明涉及一种具有氢气敏感效应的新材料，用于制作气敏传感器。
背景技术
氢气是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体。氢能源是重要的二次能源。当空气中所含氢气的体积占混合体积的4％时点燃就会发生爆炸。目前，大多数氢气传感器都是由金属氧化物(如钨、锡、锌的氧化物等)、掺杂的碳纳米管及石墨烯、氧化物与稀有金属(钯、铂)的合成物等制成。金属氧化物的制备过程比较复杂，往往需要经过低温下溶液反应、烘干、中温煅烧、高温煅烧、老化等过程，整个工序需要数十天的时间，且某些金属氧化物对人体有害。掺杂碳纳米管及石墨烯传感器需要较先进的微加工仪器。而氧化物与稀有金属合成物的制备条件也较苛刻，同时工作温度较高[Sens.Actuators B 149(2010)161]。
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物理吸附或化学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。电容型气敏传感器的原理则是通过气敏材料吸附气体后其介电常数发生改变进而导致电容变化实现的。人们研究了钯纳米线在室温下、40000ppm氢气条件下的灵敏度为20，响应时间约为30秒，恢复时间约为120秒，但它在室温下极易对氢气的敏感性达到饱和而呈现出滞钝[Small 6(2010)1422]。用电化学方法实现的钯修饰的单壁碳纳米管在室温下对300ppm和3000ppm氢气的响应时间分别是18分钟和7分钟，而恢复时间则都在55分钟以上[J.Phys.Chem.C 111(2007)6321]。纳米氧化物的氢气气敏性通常在高温下有较好的效果，而且基于纳米线或纳米管的传感器制备工艺较复杂。
目前，还没有采用钯膜/碳膜/硅异质结材料的电学特性来探测氢气的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有氢气敏感效应的钯/碳/硅异质结材料。
本发明的目的是这样实现的：以厚度为0.5～1.0mm的单晶硅基片为衬底，用直流磁控溅射的方法将质量浓度为99.9％的石墨靶溅射到抛光的单晶硅片表面上，形成一层20～200nm厚的纯碳膜，再用直流磁控溅射的方法将质量浓度为99.9％的钯靶溅射在纯碳膜的表面，形成的钯膜厚度为10～30nm，钯膜的面积小于硅基片的面积，制成钯膜/碳膜/硅异质结材料。该材料具有明显的氢气敏感效应，可用于制造氢气气敏传感器。该钯膜/碳膜/硅异质结材料的制备是通过以下步骤实施：
(1)先依次用去离子水、丙酮、无水乙醇在超声波中各清洗硅基片10分钟，之后用摩尔浓度为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10分钟。
(2)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。
(3)当背景真空为2×10-4帕时，通入氩气，并维持0.1帕的压强，待气压稳定后，用质量浓度为99.9％的石墨靶溅射，溅射直流电压为0.40KV，溅射直流电流为0.10A，溅射时间为30分钟，溅射温度为100℃。
(4)溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在较高的真空环境下自然冷却4个小时，使样品温度降至室温。
(5)当背景真空再次为2×10-4帕时，通入氩气，并维持0.1帕的压强，待气压稳定后，用质量浓度为99.9％的钯靶溅射，溅射直流电压为0.28KV，溅射直流电流为0.24A，溅射时间为5秒钟，溅射温度为室温。
(6)溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在较高的真空环境下保持2小时，取出样品。
(7)这样制备的钯膜/碳膜/硅异质结材料，具有明显的氢气敏感效应，即材料的电阻值在氢气中比在空气中减少约40％，材料的电容在氢气中比在空气中增加约150％。材料在给定氢气浓度下的响应时间约为5秒、恢复时间约为40秒。
本发明的有益效果是所提供的钯膜/碳膜/硅异质结氢气气敏材料，对氢气具有明显的敏感效应。用它制造的氢气气敏传感器能在室温下工作，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钯膜/碳膜/硅异质结氢气气敏材料制造的电导型氢气气敏传感器的结构示意图。
图2为依据本发明所提供的钯膜/碳膜/硅异质结氢气气敏材料制造的电容型氢气气敏传感器的结构示意图。
图3为室温下依据本发明所制造的电导型氢气气敏传感器的电阻对氢气的敏感性测试结果示意图。
图4为室温下依据本发明所制造的电容型氢气气敏传感器的电容对氢气的敏感性测试结果示意图。
图5为室温下依据本发明所制造的电导型氢气气敏传感器在不同氢气浓度下的电阻改变量测试结果示意图。
图6为室温下依据本发明所制造的电容型氢气气敏传感器在不同氢气浓度下的电容改变量测试结果示意图。
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，取质量浓度为99.9％的石墨粉用冷压法制成纯石墨靶。用磁控溅射的方法将纯石墨靶溅射到一块面积为0.8cm2、厚度为0.5～1.0mm的单晶硅基片衬底1上，在单晶硅基片上形成一层厚度约为100纳米的碳薄膜2，再用磁控溅射的方法将质量浓度为99.9％的钯靶溅射到碳薄膜2上，在碳薄膜2表面形成一块面积为0.3cm2、厚度为20nm的钯膜3，在异质结材料上接通直流电源6，如图1所示，图中4为电源线与材料的接点，5为电流表，成为电导型氢气气敏传感器。该异质结材料的制备参数：①纯碳膜：溅射直流电压为0.40千伏，溅射直流电流为0.10安培，溅射沉积温度为100℃，溅射时间为30分钟；②纯钯膜：溅射直流电压为0.28千伏，溅射直流电流为0.24安培，溅射沉积温度为室温，溅射时间为5秒钟。
对样品在室温下的电阻对氢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：在氢气氛围中，样品的电阻比在空气中的电阻减小约40％。对样品在不同氢气浓度下的电阻进行了测试，测试结果如图5所示。结果表明：样品在室温下、100ppm氢气条件下的灵敏度为14。对样品在给定氢气浓度下的电阻进行了测试，结果表明：在室温下、给定氢气浓度中的响应时间约为5秒，恢复时间约为40秒。
实施例2，取纯度为99.9％的石墨粉用冷压法制成纯石墨靶。用磁控溅射的方法将纯石墨靶溅射到一块面积为0.8cm2、厚度为0.5～1.0mm的单晶硅基片衬底1上，在单晶硅基片上形成一层厚度约为100纳米的碳薄膜2，再用磁控溅射的方法将质量浓度为99.9％的钯靶溅射到碳薄膜2上，在纯碳薄膜2表面形成一块面积为0.3cm2、厚度为20nm的钯膜3，如图2所示，图中8为异质结材料加载的交流信号，4为电源线与材料的接点，7为精密LCR数字电桥，成为电容型氢气气敏传感器。该异质结材料的制备参数：①纯碳膜：溅射直流电压为0.40千伏，溅射直流电流为0.10安培，溅射沉积温度为100℃，溅射时间为30分钟；②纯钯膜：溅射直流电压为0.28千伏，溅射直流电流为0.24安培，溅射沉积温度为室温，溅射时间为5秒钟。
对样品在室温下的电容对氢气和空气的敏感性进行了测试，测试结果如图4所示。结果表明：在氢气氛围中，样品的电容比在空气中的电容增加约150％。对样品在不同氢气浓度下的电容进行了测试，测试结果如图6所示。结果表明：样品在室温下、100ppm氢气条件下的灵敏度为15。对样品在给定氢气浓度下的电容进行了测试，结果表明：在室温下、给定氢气浓度中的响应时间约为5秒，恢复时间约为40秒。
与现有技术相比，本发明所提供的钯膜/碳膜/硅异质结氢气气敏材料所制成的气敏传感器具有以下优点：①对氢气具有敏感效应。②在室温下工作，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)
1.一种具有氢气敏感效应的钯膜/碳膜/硅异质结材料，其特征是：以厚度为0.5～1.0mm的单晶硅基片为衬底，用直流磁控溅射的方法将质量浓度为99.9％的石墨靶溅射到抛光的单晶硅片表面上，形成一层20～200nm厚的纯碳膜，再用直流磁控溅射的方法将质量浓度为99.9％的钯靶溅射在纯碳膜的表面，形成厚度为10～30nm的钯膜，制成钯膜/碳膜/硅异质结材料。
2.依据权利要求1所述的具有氢气敏感效应的钯膜/碳膜/硅异质结材料，其特征是纯钯膜的面积小于碳膜的面积。
3.依据权利要求1所述的具有氢气敏感效应的钯膜/碳膜/硅异质结材料，其特征是该材料用于制备电导型或电容型氢气气敏传感器。
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