[发明专利]用于气敏材料的多孔硅/氧化钨纳米线复合结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于气敏材料的，尤其涉及一种多孔硅与氧化钨纳米线复合结构气敏材料的制备方法。

背景技术

工业技术的不断发展以及人们生活水平的不断提高，生产生活过程中带来的有毒有害气体及可燃性气体（如NO₂、NH₃、CO和H₂等）大量增加，在污染环境的同时也严重威胁着人类的健康和安全。为此，随着科学技术的进步，在人们生活水平的提高以及环保意识增强的同时，对有毒有害气体及可燃性气体的检测、监控、报警的要求越来越高，这就对检测所依赖的气敏材料提出了更高的要求，为新型高性能的气敏材料的研究与开发提供了广阔的空间。

近年来，氧化钨被认为是极有研究与应用前景的半导体气体敏感材料。氧化钨属于n型宽禁带半导体，在气体传感器、光电器件以及光催化等领域均有广泛的应用，尤其是作为一种高性能气敏材料，可高灵敏度探测各种有毒和危险性气体，如NO₂、H₂S、Cl₂、NH₃等。然而氧化钨工作温度远高于室温（200℃～300℃）这一特点使得基于氧化钨气敏传感器结构需要考虑加热装置，这极大的增加了传感器的功耗。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以及在特定方向上的尺寸与德拜长度相比拟，从而表现出更高的表面吸附能力，加快与气体之间的反应，进而表现出更高的灵敏度、更快的响应以及较低的工作温度。

多孔硅是一种在硅片表面通过腐蚀形成的孔径尺寸、孔道深度和孔隙率可调的多孔性疏松结构材料，其具有独特的孔道结构，优异的电学特性、高的表面活性，在室温下可检测NO2、NH3、H2S及多种有机气体，且制作工艺易与微电子工艺技术兼容。但是多孔硅也存在灵敏度相对较低的缺陷，在一定程度上制约了其在气敏传感领域实际应用。

采用多孔硅复合担载氧化钨纳米线形成复合结构气敏材料，在结合两者在气敏性能上的优势同时，使得多孔硅与氧化钨两种半导体材料之间形成异质结，因整体纳米协同效应而获得单一材料所不具备的气敏特性，然而，基于多孔硅与氧化钨纳米材料的复合气敏材料在国内外的研究较少。本课题组已经以钨粉作为钨源，采用化学气相沉积的方法制备出了多孔硅/氧化钨纳米棒（线）复合结构气敏材料，但是，制备氧化钨纳米棒（线）的生长温度过高（大于1100℃）制约了多孔硅/氧化钨纳米棒（线）复合结构气敏材料的实际应用。本发明结合多孔硅与氧化钨纳米线的各自特点，在700℃以及保护气体的条件下，采用热退火钨薄膜的方法将氧化钨纳米线与多孔硅组装复合，制备出一种新型的多孔硅/氧化钨纳米线复合结构材料，极大的降低了氧化钨纳米线的生长温度；与此同时，这种新型复合结构气敏材料因具有巨大的比表面积以及大的表面活性，有望降低工作温度，开发出低温探测气敏材料。

发明内容

本发明的目的，是克服单一气敏材料存在的缺点，提供一种新型的以热退火钨薄膜的方法将氧化钨纳米线与多孔硅组装复合，以制备出一种新型的多孔硅/氧化钨纳米线复合结构气敏材料，在降低制备氧化钨纳米线生长温度的同时，可以显著提高复合结构敏感材料的比表面积，并且利用两种半导体材料间发生电荷转移形成的异质结，从而进一步提高对探测气体的响应。制备条件易于控制，工艺简单，制得的复合结构气敏材料具有重要的价值和研究意义。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种用于气敏材料的多孔硅/氧化钨纳米线复合结构的制备方法，具有如下步骤：

（1）清洗硅基片衬底

将电阻率为10～15Ω·cm的单面抛光的p型单晶硅基片，先于浓硫酸与过氧化氢混合溶液中浸泡30～50分钟，再经过氢氟酸水溶液浸泡20～40分钟、丙酮溶剂超声清洗5～15分钟、无水乙醇超声清洗5～15分钟、去离子水中超声清洗5～15分钟，以除去表面油污、有机物杂质以及表面氧化层；

（2）制备多孔硅基底

采用双槽电化学腐蚀法在步骤（1）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分数40%的氢氟酸与质量分数40%的二甲基甲酰胺按照体积比为1：2组成，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）制备多孔硅与钨薄膜复合结构材料