CN106442878A - 金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器的制备方法，采用纳米球模板和金属辅助化学刻蚀相结合的方法在硅基底上刻蚀出硅纳米锥阵列，利用磁控溅射法在纳米锥之间掺入金颗粒，通过本发明的方法制备的金掺杂的硅纳米锥阵列气敏传感器，可以形成具有较大比表面积和气体扩散通道的结构，金颗粒对气敏性能有一定的提升。并且，所制备的金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器元件可在室温下检测超低浓度的氮氧化物气体，具有高灵敏度、良好选择性的优点。该方法具有设备简单、操作方便、可重复性好、成本低廉等优点，具有重要的实践意义和研究意义。
Description
技术领域
本发明是关于气敏传感器元件的，主要涉及一种室温工作的且适用于检测氮氧化物气体的金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器。
背景技术
中国经济社会发展取得举世瞩目的成就，同时也付出了过大的资源环境代价，人类赖以生存的自然环境以及生态环境却遭到了前所未有的严重破坏。近年来，汽车排放的尾气、工业排放未经处理的气体、家庭使用的天然气、煤气等有毒有害的气体(如NO2、NH3、H2S、CO、SO2等)不仅给环境造成了严重的污染，更为重要的是，这些有毒有害的气体已经严重威胁了人类的生命健康。
纳米硅材料指在空间尺度有两维处于纳米尺度的硅材料，包含纳米硅管、纳米硅棒、纳米硅线等。材料结构进入纳米尺度后，会出现许多新特性。纳米硅材料除一般半导体特性外，更具备一系列体硅材料不具备的光、热等物理特性。纳米材料具有极大比表面积，能够吸附大量分子，对于室温条件下的多种气体均有良好的电学传感特性，因而在气敏传感器方面有很好的应用前景。相对于其他纳米材料，硅材料在传感器领域应用具有更大优势。首先，硅材料储量巨大，易于制备，能进行大量生产。其次，硅纳米锥具有较高的载流子迁移率，并能简单的通过改变其掺杂浓度控制电学性能。相对于碳纳米管及有机材料，硅纳米锥易于和超大规模集成电路及互补金属氧化物半导体工艺相集成，是制造传感器的理想材料。制备大量、生长参数可控的纳米硅材料是当前研究重点。
硅纳米锥是硅纳米材料的典型代表，不仅具有半导体的特殊性质，而且显示出不同于体硅材料的热导率、场发射及可见光致发光等物理特性。在新能源、光电子器件以及纳米电子器件等方面具有巨大的潜在应用价值。因为硅纳米锥与现有硅技术具有极好的兼容性从而拥有巨大的市场应用潜力；他极为可能成为纳米材料领域的一种极有应用潜力的新材料。
而单纯的硅基气敏传感器往往因为灵敏度低、选择性和稳定性差等缺点难以满足实际应用，对该类气敏材料的研究主要集中于对基体材料进行掺杂以改善其气敏性能。而添加贵金属，例如如金，铂等，可以有效的提高气敏材料的气敏性能，如选择性、灵敏度等。金具有催化活性，它的掺入有利于载流子的释放、传输及注入输运过程，提高了气体吸附作用及相应的反应速度，改善了气敏元件的性能。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器的制备方法，解决现有技术中传统硅纳米锥阵列传感器元件的检测超低浓度的氮氧化物气体温度高，高灵敏度低的问题。
本发明的技术方案是：一种金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)硅基片的清洗
将N型单面抛光的晶向为(100)的单晶硅基片放入浓硫酸与过氧化氢的混合液中浸泡30～50min，随后置于氢氟酸与去离子水的混合液中浸泡20～40min，然后分别在丙酮和乙醇中超声清洗5～20min，以除去硅基片表面的油污、有机物杂质和表面氧化层，最后将硅基片放入无水乙醇中备用；
(2)排列纳米小球
将存放在无水乙醇中的硅片取出干燥后，垂直固定在提拉镀膜机上，把在无水乙醇中稀释的二氧化硅球的悬浊液匀速送至去离子水表面，一直到去离子水表面形成一层连续的单层二氧化硅球；将硅片浸入到去离子水后匀速提拉出水面，在硅片表面形成一层单层的致密排列的纳米球；
(3)组装模板
将覆盖有纳米球的硅片置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.99％的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，氩气气体流量为23～25sccm，本体真空度为(4～5)10-4Pa溅射工作压强为2～4Pa，溅射功率为80～100W，溅射时间为1min，在覆盖有纳米球的硅片表面溅射一层铂薄膜；之后将硅片浸入无水乙醇中进行超声震荡，去除二氧化硅小球，在硅片表面形成了一层带孔的铂薄膜；
(4)制备硅纳米锥
腐蚀液为HF与H2O2混合溶液；搅拌均匀后，将带有铂薄膜的硅片浸入溶液中进行刻蚀，后将刻蚀好的硅纳米锥放入干燥箱中干燥；
(5)掺入金颗粒
将步骤(4)中得到的硅纳米锥阵列置于高真空磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.99％的金属金作为靶材，在真空度为(2～3)×10-5Pa溅射，溅射功率为30～40W，溅射时间为15～45s，在硅纳米锥整列的表面掺入金颗粒；
(6)制备硅纳米锥阵列气敏传感器元件
将步骤(5)中得到的金掺杂的硅纳米锥置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.95％的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，氩气气体流 量为23～25sccm，本体真空度为(4～5)10-4Pa溅射工作压强为2～4Pa，溅射功率为80～100W，在掺金的硅纳米锥阵列表面沉积一对铂电极，制成可用于室温检测氮氧化物的气敏传感器元件。
所述步骤(4)中HF浓度为3mol/L，H2O2浓度为0.05mol/L，体积比为0.5:1～1.5:1，刻蚀时间为15min。
本发明的有益效果是：通过本发明的方法制备的金掺杂的硅纳米锥阵列气敏传感器，可以形成具有较大比表面积和气体扩散通道的结构，金颗粒对气敏性能有一定的提升。并且，所制备的金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器元件可在室温下检测超低浓度的氮氧化物气体，具有高灵敏度、良好选择性的优点。该方法具有设备简单、操作方便、可重复性好、成本低廉等优点，具有重要的实践意义和研究意义。
附图说明
图1是实施例1在硅片上所排列的二氧化硅纳米小球扫描电子显微镜照片；
图2是实施例1所制备Pt模板扫描电子显微镜照片；
图3是实施例1所制备的硅纳米锥扫描电子显微镜照片；
图4是实施例1的气敏元件对250ppb～3ppm NO2气体的动态响应曲线；
图5是实施例1气敏元件的灵敏度与NO2气体浓度的对应关系图；
图6是实施例1气敏元件对1ppm NO2的重复性测试示意图；
图7是实施例1气敏元件对多种气体的选择性示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
下面结合具体实施例对本发明进一步详细的说明。
本发明所用的原料均采用市售化学纯试剂。
实施例1
(1)硅基片的清洗
将2寸N型电阻率为1～10Ω·cm，厚度为400μm，晶向为(100)的单面抛光的单晶硅基片，切割成尺寸为2.5×0.9cm的矩形硅基底，将硅片放入体积比为3:1的浓硫酸与过氧化氢混合液中浸泡40min，随后置于体积比为1:1的氢氟酸与去离子水混合液中浸泡30min，然后分别在丙酮和乙醇中超声清洗5min，最后将硅基片放入无水乙醇中备用。
(2)提拉镀膜
取出之前在乙醇中保存的清洗后的硅片，干燥，在提拉镀膜机上固定。把在无水乙醇中稀释的二氧化硅球的悬浊液匀速送至去离子水表面，一直到去离子水表面形成一层连续的单层二氧化硅球。将硅片入水中的。设置提拉镀膜机使硅片缓慢的被拉起，一直到硅片离开水面。二氧化硅小球在硅片表面紧密排列，形成连续单层膜，如图1所示。
(3)溅射模板
把镀有单层二氧化硅球的硅片在靶上固定，把靶架固定在磁控溅射机靶位中，在氩气的环境下，溅射电源100W左右功率下溅射1分钟，形成约50nm-60nm的Pt薄膜。再将镀好Pt薄膜的硅片浸入无水乙醇中，在超声波震荡器中震荡约10分钟后取出，在硅片表面形成一层Pt模板，如图2所示，用去离子水清洗后浸入干净去离子水中备用。
(4)制备硅纳米锥
采用金属辅助化学腐蚀法在步骤(3)所得硅片表面制备硅纳米锥，所用腐蚀液由3mol/L的HF稀释水溶液和浓度为0.05mol/L的H2O2稀释水溶液体积比为1:1混合而成。腐蚀时间约为15分钟后取出，图3为所制备的硅纳米锥阵列扫描电子显微镜照片。
(5)掺入金颗粒
采用溅射法在纳米锥阵列中掺入金颗粒，将步骤(4)中得到的硅纳米锥阵列置于高真空磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.99％的金属金作为靶材，在真空度为(2～3)×10-5Pa溅射，溅射功率为30～40W，溅射时间为30s，在硅纳米锥整列的表面掺入金颗粒。
(6)制备气敏元件
将步骤(5)中制得的金掺杂硅纳米锥气敏材料置于真空镀膜机的真空室。本体真空度为4.0×10-4Pa，采用质量纯度99.95％的金属铂作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，氩气气体流量为24sccm，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率为90W，溅射时间3min，在硅纳米锥表面溅射一对尺寸为0.2cm×0.2cm的方形铂电极，电极间距为8mm。
实施例1制得的硅纳米锥阵列气敏传感器元件在室温下对低浓度NO2气体具有显著响应，对250ppb～3ppm气体的动态响应曲线如图4所示。其灵敏度与NO2气体浓度的对应关系如图5所示，其中对250ppb、500ppb、1ppm、2ppm、3ppm NO2气体的灵敏度分别为1.525、1.831、2.354、2.902、3.212。且由图1可以看出由实施例1制得的气敏器件对NO2气体具有快速的气体响应/恢复特性，对于0.5ppm的NO2气体响应时间为15s。
由实施例1所得的金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器元件在室温下对1ppm NO2气体进行4次重复性测试，测试结果如图6所示，说明所制得的金掺杂硅纳米锥气阵列敏传感器元件具有良好的可重复性。
由实施例1所得的金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器元件在室温下对50ppm的氨气、100ppm乙醇、100ppm丙酮、100ppm甲醇的灵敏度分别为1.214、1.069、1.052、1.091，而对500ppb NO2气体的灵敏度为1.812，如图7所示。这表明该金掺杂硅纳米锥气敏传感器元件具有较好的选择性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在与：步骤(4)中H2O2和HF混合体积比为0.5:1，所制得的金掺杂硅纳米锥气敏传感器元件在室温下对500ppb NO2气体的灵敏度为1.698。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在与：步骤(4)中H2O2和HF混合体积比为1.5:1，所制得的金掺杂硅纳米锥气敏传感器元件在室温下对500ppb NO2气体的灵敏度为1.613。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在与：步骤(5)中溅射时间为15s，所制得的金掺杂硅纳米锥气敏传感器元件在室温下对500ppb NO2气体的灵敏度为1.557。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在与：步骤(5)中溅射时间为45s，所制得的金掺杂硅纳米锥气敏传感器元件在室温下对500ppb NO2气体的灵敏度为1.216。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围不限于上述的实施案例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化和修饰，皆应属本发明的涵盖范围，本申请所要求的保护范围如本申请权利要求书所示。
Claims (2)
1.一种金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)硅基片的清洗
将N型单面抛光的晶向为(100)的单晶硅基片放入浓硫酸与过氧化氢的混合液中浸泡30～50min，随后置于氢氟酸与去离子水的混合液中浸泡20～40min，然后分别在丙酮和乙醇中超声清洗5～20min，以除去硅基片表面的油污、有机物杂质和表面氧化层，最后将硅基片放入无水乙醇中备用；
(2)排列纳米小球
将存放在无水乙醇中的硅片取出干燥后，垂直固定在提拉镀膜机上，把在无水乙醇中稀释的二氧化硅球的悬浊液匀速送至去离子水表面，一直到去离子水表面形成一层连续的单层二氧化硅球；将硅片浸入到去离子水后匀速提拉出水面，在硅片表面形成一层单层的致密排列的纳米球；
(3)组装模板
将覆盖有纳米球的硅片置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.99％的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，氩气气体流量为23～25sccm，本体真空度为(4～5)10-4Pa溅射工作压强为2～4Pa，溅射功率为80～100W，溅射时间为1min，在覆盖有纳米球的硅片表面溅射一层铂薄膜；之后将硅片浸入无水乙醇中进行超声震荡，去除二氧化硅小球，在硅片表面形成了一层带孔的铂薄膜；
(4)制备硅纳米锥
腐蚀液为HF与H2O2混合溶液；搅拌均匀后，将带有铂薄膜的硅片浸入溶液中进行刻蚀，后将刻蚀好的硅纳米锥放入干燥箱中干燥；
(5)掺入金颗粒
将步骤(4)中得到的硅纳米锥阵列置于高真空磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.99％的金属金作为靶材，在真空度为(2～3)×10-5Pa溅射，溅射功率为30～40W，溅射时间为15～45s，在硅纳米锥整列的表面掺入金颗粒；
(6)制备硅纳米锥阵列气敏传感器元件
将步骤(5)中得到的金掺杂的硅纳米锥置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度99.95％的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，氩气气体流量为23～25sccm，本体真空度为(4～5)10-4Pa溅射工作压强为2～4Pa，溅射功率为80～100W，在掺金的硅纳米锥阵列表面沉积一对铂电极，制成可用于室温检测氮氧化物的气敏传感器元件。
2.根据权利要求1所述金掺杂硅纳米锥阵列气敏传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中HF浓度为3mol/L，H2O2浓度为0.05mol/L，体积比为0.5:1～1.5:1，刻蚀时间为15min。
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|---|---|
| CN (1) | CN106442878A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106986302A (zh) * | 2017-02-24 | 2017-07-28 | 西安交通大学 | 一种微米级半导体传感器及其制备方法 |
| CN110873732A (zh) * | 2018-08-29 | 2020-03-10 | 天津大学 | 一种调节硅纳米线气敏传感器应用湿度窗口的方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040072994A1 (en) * | 2002-10-15 | 2004-04-15 | Herr Daniel J.C. | Nanostructures including controllably positioned and aligned synthetic nanotubes, and related methods |
| CN101693519A (zh) * | 2009-10-21 | 2010-04-14 | 吉林大学 | 二氧化硅纳米锥阵列的制备方法 |
| CN101746714A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-06-23 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 金属纳米结构阵列的制备方法 |
| WO2011050272A2 (en) * | 2009-10-23 | 2011-04-28 | Trustees Of Boston University | Nanoantenna arrays for nanospectroscopy, methods of use and methods of high-throughput nanofabrication |
| CN103641064A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-03-19 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 金属-二氧化硅多层薄膜空心纳米结构阵列及其制备方法 |
| CN104891574A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-09-09 | 天津大学 | 金掺杂多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构的制备方法 |
-
2016
- 2016-09-08 CN CN201610810713.3A patent/CN106442878A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040072994A1 (en) * | 2002-10-15 | 2004-04-15 | Herr Daniel J.C. | Nanostructures including controllably positioned and aligned synthetic nanotubes, and related methods |
| CN101693519A (zh) * | 2009-10-21 | 2010-04-14 | 吉林大学 | 二氧化硅纳米锥阵列的制备方法 |
| WO2011050272A2 (en) * | 2009-10-23 | 2011-04-28 | Trustees Of Boston University | Nanoantenna arrays for nanospectroscopy, methods of use and methods of high-throughput nanofabrication |
| CN101746714A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-06-23 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 金属纳米结构阵列的制备方法 |
| CN103641064A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-03-19 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 金属-二氧化硅多层薄膜空心纳米结构阵列及其制备方法 |
| CN104891574A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-09-09 | 天津大学 | 金掺杂多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构的制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106986302A (zh) * | 2017-02-24 | 2017-07-28 | 西安交通大学 | 一种微米级半导体传感器及其制备方法 |
| CN110873732A (zh) * | 2018-08-29 | 2020-03-10 | 天津大学 | 一种调节硅纳米线气敏传感器应用湿度窗口的方法 |
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