[发明专利]硅纳米线—氧化钨纳米线刷状多级结构及其制备方法和在探测二氧化氮中的应用

说明书

本发明公开硅纳米线—氧化钨纳米线刷状多级结构及其制备方法和在探测二氧化氮中的应用，使用金属辅助化学刻蚀法刻蚀单晶硅以形成硅纳米线阵列，再进行稀疏粗糙化处理后进行沉积钨薄膜材料层，升温以生长一维氧化钨纳米线，最后进行铂电极制备。本发明的硅纳米线/氧化钨纳米线复合异质多级结构气敏敏感元件在室温下工作，且对二氧化氮具有很好的响应，在气体传感器与集成电路工艺兼容，延长传感器寿命，节约能耗，以及危险气体检测方面具有很重要的研究价值。

技术领域

本发明属于半导体气敏传感器领域，更加具体地说，涉及硅纳米线—氧化钨纳米线刷状多级结构及其制备方法和在探测二氧化氮中的应用。

背景技术

随着社会经济的发展，我们赖以生存的环境付出了巨大的代价，大量燃料的燃烧、汽车尾气的排放以及工业生产过程产生了大量有毒有害气体，其中NO2的危害不可忽视。NO₂造成大气、水体及土壤污染，可以使大气能见度降低，且其是酸雨的成因之一，使水体酸化、富营养化。同时NO₂本身毒性可极大地危害人体健康，引起肺水肿等呼吸疾病。我国规定环境中NO₂浓度应低于120ppb，因此制备性能优良的NO₂气敏传感器、实现对毒性NO₂气体的实时有效可靠检测刻不容缓。要获得高性能的纳米传感器，首先就要制备出可以提供这些高性能可能性的纳米材料。

在气敏领域，金属氧化物半导体材料，例如WO₃、ZnO、TiO₂、SnO₂、ln₂O₃等具有成本低及灵敏度高的优点，被普遍认为是最有发展应用前景的气敏材料，其中WO₃被广泛的应用于NO₂的检测。然而，基于一维结构的半导体氧化物气体传感器工作温度一般大于100摄氏度，导致器件功耗较大，寿命较短。根据以往的研究表明，掺杂或者形成复合型气敏材料是降低氧化钨材料工作温度的一种有效途径，并且可以进一步提高对NO₂的灵敏度和选择性。因此制备复合气敏材料是实现室温探测低浓度NO₂的有效途径。然而目前这还是一项极富挑战性的课题。由于一维有序硅纳米线阵列，可在室温下响应NO₂等气体，且制备工艺简单易于集成，只是其灵敏度相对较低，所以在气敏材料改性方面可以通过构造硅纳米线/氧化钨纳米线异质复合多级结构来改性气敏材料。异质结结构目前主要应用于半导体激光器，发光器件，太阳电池等科学领域。将异质结应用于气敏领域形成异质结材料是改善气敏性能一个极具潜力的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供硅纳米线—氧化钨纳米线刷状多级结构及其制备方法和在探测二氧化氮中的应用，由于具有巨大的比表面积及优异的异质结构性能，该异质复合多级结构可以克服以往基于单纯一维氧化钨纳米线的气敏元器件在工作温度，响应恢复时间等方面的缺点，及以往基于单纯一维硅纳米线的气敏元器件在灵敏度等方面的缺点，在提高气敏传感器的灵敏度、响应速度及降低传感器工作温度方面具有很重要的研究价值。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

硅纳米线—氧化钨纳米线刷状多级结构，以硅纳米线垂直于硅片基底形成硅纳米线阵列，在组成硅纳米线阵列的每根硅纳米线的整个外表面上原位生长氧化钨纳米线，以形成刷状多级结构。

其中，硅纳米线平均长度为10—20微米，优选12—15微米，直径平均为100—200nm，优选140—180nm。氧化钨纳米线平均长度为400—800nm，优选500—600nm；直径平均为20—50nm，优选30—50nm。

在进行制备时，按照下述步骤进行：

步骤1，使用金属辅助化学刻蚀法刻蚀硅片，以在硅片上形成垂直于硅片的硅纳米线阵列