[发明专利]多孔硅基一维氧化钨纳米线气敏元件的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于气敏传感器的，尤其涉及一种可以在较低温度工作的且适用于检测氮氧化物气体的微米尺寸孔道多孔硅基一维氧化钨纳米结构气敏元件的制备方法。 

背景技术

随着工业技术的飞速发展与人们生活水平的不断提高，生产生活过程中带来的各种气体污染物大量增加。氮氧化物(NO_x)作为一种强毒性气体，是酸雨和光化学烟雾的主要来源，已对人类的健康和安全构成严重威胁。因此对氮氧化物气体的检测成为近年来的研究热点。近年来，随着纳米技术的不断发展，纳米结构气敏传感器件已经获得了长足的发展，尤其为了满足工业生产以及环境检测的迫切需要，利用金属氧化物半导体纳米结构制备气敏元件成为了研究重点。氧化钨是一种宽禁带的N型半导体材料，在气敏传感器以及广电器件领域有着广泛的应用，尤其作为一种高性能的气敏材料，可广泛应用于各种毒性以及危险性气体如NOx、SO₂、H₂S等探测。 

对于气敏材料而言，氧化钨工作温度较高(通常为200℃～300℃)，这严重制约了低功耗集成化微小型化气敏传感系统的研究与开发，为此科技人员一直在致力于降低敏感材料工作温度的研究。有研究表明，一维氧化钨纳米结构与传统的氧化钨材料相比，其具有更大的比表面积，更大的表面活性以及更强的气体吸附能力，从而能加快与气体之间的反应，在进一步提高灵敏度的同时，对于降低工作温度具有重要意义。 

硅基多孔硅是一种在硅片表面形成孔径尺寸、孔道深度和孔隙率可调的极具潜力的新型气敏材料，室温下具有很高的表面化学活性，并且制作工艺因易于与微电子工艺技术兼容而成为最具吸引力的研究领域之一。其特殊的微观结构获得巨大的比表面积，并且可以为气体扩散提供有效通道，显著降低响应/恢复时间，具有良好的气敏性能。 

近年来，有些学者致力于一维金属氧化物气敏材料的研究，开发出一些气敏元件，由于其工作温度较高（高于150℃），严重制约了其在实际生产生活中的应用。本发明采用化学气相沉积的方法利用水平管式炉将有序多孔硅与一维氧化钨纳米结构复合形成新的复合结构气敏材料，其具有巨大的比表面积以及大的表面活性，提供了大量的气体吸附位置和扩散通道，克服了当前基于一维氧化钨纳米结构气敏材料工作温度较高的缺陷，开发出一种在较低温度（100℃）具有较高灵敏度和较快响应/恢复速率的硅基一维氧化钨纳米结构气敏传感器元件。 

发明内容

本发明的目的,是克服现有一维氧化钨纳米结构气敏传感器工作温度较高（150℃以上）的不足，结合有序多孔硅能够室温探测以及能够为气体提供有效通道的优势，提供一种结构新颖、制作工艺简单的新型多孔硅基一维氧化钨纳米结构气敏元件的制备方法，将高灵敏度与良好的响应恢复特性有机的结合起来，可以在低温（100℃）对低浓度的具有毒性以及危险性气体如NOx、SO₂、H₂S，尤其是NOx进行检测。 

本发明通过如下技术方案予以实现。 

多孔硅基一维氧化钨纳米线气敏元件的制备方法，具有如下步骤： 

(1)清洗硅基片衬底 

将电阻率为10～15Ω·cm的p型单晶硅基片单面抛光，分别经过浓硫酸与过氧化氢混合溶液浸泡30-40分钟、氢氟酸水溶液浸泡15-20分钟、丙酮溶剂超声清洗10-15分钟、无水乙醇超声清洗10-15分钟、去离子水中超声清洗10～15分钟，以除去表面油污、有机物杂质以及表面氧化层； 

(2)制备硅基微米尺寸孔道有序多孔硅 

采用双槽电化学腐蚀法在清洗过的硅基片抛光表面制备多孔硅层，所用腐蚀电解液由质量浓度为40%的氢氟酸与质量浓度为40%的二甲基甲酰胺组成，其体积比为1：2，不添加表面活性剂和附加光照，施加的腐蚀电流密度为50～120mA/cm²，腐蚀时间为5～20min； 

(3)制备多孔硅基一维氧化钨纳米线 

将步骤(2)制备的硅基多孔硅置于水平管式炉中，利用化学气相沉积的方法，钨粉作为钨源，以氩气作为工作气体，氧气作为反应气体，气体流量分别控制为5～10sccm和0.5～5sccm，源温度为900～1100度，保温时间为60～100min，本体真空度为1～5Pa，工作压强为50～80Pa，基片与钨源之间的距离为15～20厘米； 

(4)制备多孔硅基氧化钨纳米线气敏传感器元件：