[发明专利]氧化锌/二氧化钛复合自组装薄膜气敏器件的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明提供一种氧化锌/二氧化钛(ZnO/TiO₂)复合自组装薄膜气敏器件的制备方法，它涉及利用层层静电自组装制备金属氧化物半导体薄膜气敏器件的方法，尤其涉及利用层层静电自组装制备ZnO/TiO₂复合薄膜气敏器件的方法，属于材料科学技术领域。

(二)背景技术

单层薄膜结构的气敏器件虽然由于表面效应等原因，比烧结型及厚膜气敏器件在性能上具有明显的优点。但仍存在一些弱点，特别是对某些气体的选择性差，材料稳定性虽有提高，但仍不够理想。而对于多层薄膜结构，各层薄膜之间会相互扩散，进行均匀且有一定梯度的掺杂，并充分利用异质材料的过渡层特性提高载流子的有效注入和传输，以及表面及界面效应，使材料性能得以改善，提高了气敏器件的选择性和稳定性。

氧化锌(ZnO)是应用最早的一种半导体气敏材料，属表面控制型气敏材料，其物理化学性质稳定，可用作气敏传感器材料来检测多种气体，但也存在操作温度高、响应时间长、灵敏度低等缺点，因而为了提高ZnO的气敏性能，常掺入一些贵金属做催化剂。银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属能显著改善ZnO的气敏性能，但其成本高，而且会因中毒而降低元件的灵敏度和寿命，用廉价金属氧化物作为掺杂剂则不会出现中毒现象，并能改善元件的稳定性和灵敏度，尤其对元件的气体选择性有显著的作用。而二氧化钛(TiO₂)本身虽然没有明显的气敏效果，但掺杂于其它气敏材料，往往有较明显的性能改善。

而层层静电自组装技术是一种新颖的，具有实用价值的技术。它是利用在溶液中，带相反电荷的溶胶颗粒和聚电解质的相互吸引，层层堆垛而形成薄膜的制备手段。并具有工艺简单，所得薄膜热力学性质稳定，对衬底形状无特殊要求，而且可以从分子水平对膜厚进行控制，成膜重复性好等优点。利用层层静电自组装法制备ZnO/TiO₂复合薄膜，避免了使用昂贵的大型设备，并可在任意形状的基底上成膜。并且，对于多层薄膜结构，各层薄膜之间会相互扩散，进行均匀且有一定梯度的掺杂，并充分利用异质材料的过渡层特性提高载流子的有效注入和传输，以及表面及界面效应，并可人为设计分子结构和表面结构等优点来设计、制备ZnO/TiO₂多层复合薄膜可提高其气敏性能。本发明具有工艺简单、成本低廉、环境友好的特性，具备大规模工业化生产的前景。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种利用层层静电自组装制备氧化锌/二氧化钛复合薄膜气敏器件的方法。本方法只需要用到锌盐、钛酸四丁酯、聚电解质等低成本的原料，烧杯等价格低廉的仪器设备；只涉及到简单的化学反应，反应条件温和。所得到的ZnO/TiO₂复合薄膜气敏器件具有平整的表面形貌，均一的晶体结构，和基底结合牢固，如图1、2所示。

本发明一种氧化锌/二氧化钛(ZnO/TiO₂)复合自组装薄膜气敏器件的制备方法，它是一种利用层层静电自组装制备ZnO/TiO₂复合薄膜气敏器件的方法，其制备步骤如下：

(1)利用醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌、氯化锌等含有锌源的物质和H₂O₂(双氧水)在光照、搅拌的条件下反应制备得到过氧化锌(ZnO₂)溶胶；

(2)把钛酸四丁酯溶解于无水乙醇中，再滴加1～5滴酸，搅拌混合均匀，再将滴加1～5滴酸的去离子水缓慢加入到上述溶液中，搅拌使其混合均匀后，在高温水浴中反应，得到淡黄色透明的二氧化钛(TiO₂)溶胶；

(3)再分别配置浓度为0.001mg/ml～50g/ml的带正负电荷的聚电解质溶液；

(4)把特定的基底，如图3所示，浸泡在大于40℃的硫酸和双氧水溶液中(其硫酸和双氧水溶液的体积比是按预定要求给定)进行处理，使其表面羟基化，带上电荷；

(5)先在基底上交替层层自组装上多层带相反电荷的聚电解质，即把基底先浸泡在聚苯乙烯磺酸钠(即PSS)溶液中，再浸泡在聚二烯丙基二甲基氯化铵(即PDDA)溶液中，重复上面两个过程不同次数即可得到多层聚电解质膜，以便增加ZnO₂/TiO₂复合自组装颗粒薄膜吸附的牢固程度；