[发明专利]一种多孔硅基氧化钨纳米线复合结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合结构气敏材料的制备方法，特别涉及多孔硅基氧化钨纳米线复合结构的制备方法。

背景技术

21世纪以来，随着现代工业的飞速发展，生态环境遭到越来越严重的破坏，并对人类的健康造成了极大的危害。氮氧化物气体是一种可导致酸雨和光化学烟雾的有毒有害气体。因此研究用于氮氧化物气体的快速检测和监控的高性能气敏传感器材料与器件意义重大，并已成为近年来的研究热点。其中，研究可在室温条件下高灵敏度、高选择性、可重复性检测氮氧化物气体是目前气体传感器发展的重要方向之一。而要获得这种高性能的气体传感器，首先就要制备出可以满足这些要求的纳米材料。

对于气敏材料而言，氧化钨和大多数金属氧化物半导体类似，它的工作温度较高(200～300℃)，这极大地增加了传感器的功耗。此外，基于氧化钨的气体传感器仍普遍存在反应时间长、气体选择性差等气敏特性问题，这对气体传感技术的微型化、集成化发展增加了许多复杂性和不稳定性。为此科技人员一直致力于降低气敏材料工作温度的研究。研究表明，一维氧化钨纳米结构与传统的氧化钨材料相比，其具有较大的比表面积、表面活性以及较强的气体吸附能力，从而能加快气体之间的反应，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、孔道深度以及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。此外，因制作工艺易与微电子工艺技术兼容，硅基多孔硅成为最具吸引力的研究领域之一。其特殊的微观结构可获得巨大的比表面积，并且可以为气体的扩散提供有效通道，使其具有良好的气敏性能。

近年来，一些学者一直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(>100℃)，严重制约了其在实际生产活动中的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种多孔硅基氧化钨纳米线复合结构的制备方法，克服现有技术中一维氧化钨纳米结构气敏材料工作温度较高的问题。

本发明的技术方案是：

一种多孔硅基氧化钨纳米线复合结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)硅基片的清洗：

将P型单面抛光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)制备多孔硅：

采用双槽电化学腐蚀法在步骤(1)的单晶硅片的抛光表面制备多孔硅层；

(3)制备种子溶液：

将钨酸钠溶于100ml去离子水中，使之全部溶解，随后逐滴加入稀盐酸，直至不再产生白色沉淀，然后将混合液静置30～60min，将上层清液倒掉后再利用低速离心机离心底层的沉淀，再将沉淀溶入10～30ml的过氧化氢中形成浓度为0.5～2M的黄色透明的种子溶液；

(4)制备种子层：

将步骤(3)中制备的种子溶液旋涂于步骤(2)中所制备的多孔硅上，然后置于马弗炉中进行退火处理；

(5)水热法制备多孔硅基氧化钨纳米线复合结构：

首先配置反应液，称取8.25～16.50g钨酸钠，将其全部溶解于250ml的去离子水中，配成浓度为0.1～0.2M的钨酸钠溶液，再利用稀盐酸调节反应液pH值至1.5～2.5，随后称取6.61～13.22g硫酸铵加入上述溶液中，充当导向剂，搅拌使溶解，接着移取50～70ml配置好的反应液至100ml水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中，然后将(4)中附着有种子层的多孔硅衬底插在样品架上水平腾空置于内衬中，最后将反应釜置于恒温干燥箱中于180℃恒温反应2～10h；

(6)水热反应后多孔硅基片的清洗：

将步骤(5)中水热反应后的多孔硅基片反复经去离子水和无水乙醇浸泡清洗，然后在60～80℃的真空干燥箱中干燥8～10h。

所述步骤(1)的硅基片的尺寸为2.3～2.5cm×0.8～1cm。

所述步骤(2)双槽电化学腐蚀法所用电解液由质量浓度为40％的氢氟酸和质量浓度为40％二甲基甲酰胺组成，体积比为1:2，在室温且不借助光照的环境下通过改变电流密度和腐蚀时间改变多孔硅的平均孔径和厚度，施加的电流密度为50-80mA/cm²，腐蚀时间为6-10min。所制备的多孔硅的平均孔径为1-2μm，厚度为15-20μm。