[发明专利]氧化钨纳米颗粒和多孔硅复合结构气敏传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化钨纳米颗粒和多孔硅复合结构气敏传感器及制备方法，依顺序利用钨酸钠和盐酸反应生成钨酸溶胶，利用热退火工艺在多孔硅顶部形成氧化钨纳米颗粒结构，利用半导体异质结效应实现多孔硅对二氧化氮气体灵敏度和选择性的提升，从而制备有良好二氧化氮探测能力的气敏传感器。本发明气敏传感器利用氧化钨与多孔硅间异质结的影响，提升了多孔硅的气敏性能，在室温下对二氧化氮气体具有较高的灵敏度和较好的选择性，适宜应用在气敏传感器的进一步开发中。同时，这种多孔硅氧化钨复合结构气敏传感器的制备工艺重复性高，具有大规模生产的潜力。

技术领域

本发明涉及一种气敏传感器，具体涉及一种氧化钨纳米颗粒和多孔硅复合结构气敏传感器及制备方法。

背景技术

由于长期以来对发展中的环境因素考虑不足等因素，以及城市规模的不断扩大，我国空气质量明显恶化，常出现极端大气污染事件。我国空气环境的主要污染物包括PM2.5、PM10、臭氧(O3)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和二氧化硫(SO2)等。二氧化氮空气污染已被证实与人的健康有着密切相关的影响，长时间生活在二氧化氮污染物超标环境中会增加人罹患呼吸道、心血管等疾病的风险。近年来，人们对于空气质量的改善有强烈意愿，对于二氧化氮等有害气体的检测越发引起重视。因此，对二氧化氮气体具有良好选择性和灵敏度的气敏传感器有良好的发展前景。

多孔硅是一种硅基气敏材料，属于低维微米-纳米材料，具有极大的比表面积，能够在室温下探测多种气体，同时兼容集成电路工艺，被视为极具应用前景的气敏材料。当前多孔硅气敏材料的问题集中在其灵敏度不高、选择性较差这两方面。

多孔硅对二氧化氮的气敏响应机理在于：空气中的二氧化氮分子吸附在多孔硅表面，与多孔硅之间发生电子转移，使多孔硅表面电子浓度下降，从而引起多孔硅电阻的变化。传感器器件在空气中的电阻值定义为Ra，器件在二氧化氮环境中的电阻定义为Rg。半导体的载流子为半导体中可以自由移动的带有电荷的物质微粒，包括电子和空穴。载流子中较多的载流子多子为电子的多孔硅称为N型多孔硅，对二氧化氮响应时电阻上升，使得Rg>Ra；载流子多子为空穴的多孔硅为P型多孔硅，对二氧化氮响应时电阻下降，使得Rg<Ra。

氧化钨是一种金属氧化物半导体材料，可由对钨酸胶体进行高温热处理制备得来。

半导体异质结是指不同种类的半导体材料间形成电学接触后形成的一种结构。形成异质结的材料间会产生载流子迁移，使材料载流子浓度发生变化。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种氧化钨纳米颗粒和多孔硅复合结构气敏传感器及制备方法，解决现有技术中多孔硅对二氧化氮气体的灵敏度和选择性差的问题。

本发明的技术方案是：

一种氧化钨纳米颗粒和多孔硅复合结构气敏传感器，由以下方法制得：

(1)清洗硅基片：

将硅基片依次浸入以下清洗液中清洗：浓硫酸和双氧水混合溶液；氢氟酸溶液；丙酮；乙醇；清洗后的硅基片放入乙醇中备用；

(2)制备多孔硅：

采用双槽电化学腐蚀法对步骤(1)中硅基片进行腐蚀，以制备多孔硅层；腐蚀电源为恒流稳压电源，腐蚀中电流保持不变；腐蚀液为氢氟酸水溶液；

(3)制备钨酸：

将钨酸钠粉末溶于去离子水中，形成浓度为0.05mol/L的钨酸钠溶液；在钨酸钠溶液中滴加浓度为6mol/L的盐酸溶液，盐酸溶液与钨酸钠溶液的体积比为3-5:100，将溶液离心，形成黄色钨酸沉淀；

(4)制备钨酸溶胶：

将步骤(3)中钨酸沉淀中加入30％过氧化氢溶液，再加入80％乙醇溶液，搅拌生成钨酸溶胶；

(5)在多孔硅上旋涂钨酸：