[发明专利]响应类型可调的二维半导体室温氢气传感器及制作方法

说明书

本发明公开一种响应类型可调的二维半导体室温氢气传感器及制作方法，所述氢气传感器通过化学气相沉积法(CVD)在Si/SiO₂衬底上生长二维MoS₂薄膜，再利用滴涂的方法在MoS₂薄膜上修饰SnO₂制备，其制作方法为：对管式炉内高、低温区装有MoO₃和升华硫的石英舟（且MoO₃上有Si/SiO₂衬底）依次抽负压—充氩气三次，再保压并分别加热高低温区至设定值得到MoS₂薄膜，在MoS₂薄膜的Si/SiO₂衬底上制备基于MoS₂薄膜的氢敏器件，将SnO₂水胶分散液滴涂在氢敏器件上，经真空干燥、真空退火得到。传感器可在室温下工作，灵敏可靠、成本低且易于集成，利用SnO₂对二维MoS₂薄膜进行修饰，实现对氢气的从n型到p型响应的转变，二维MoS₂薄膜电子传输快，精度高，信噪比高，具有能与传统Si技术集成的高兼容性。

技术领域

本发明涉及响应类型可调的二维半导体室温氢气传感器及制作方法，属于无机纳米功能材料以及氢气传感器技术领域。

背景技术

氢气(H₂)是一种新型清洁能源，由于其具有热量集中、利用形式多、来源广泛、产物无污染、不受地域限制等优点，引起了世界各国的广泛关注。目前，氢能已广泛应用于航空航天、燃料电池、化工生产、新能源汽车等领域，显示出非常好的使用价值和应用前景。但是，氢气在空气中有较高的易燃易爆性(在空气中的燃烧和爆炸极限是(4～74%)，且氢分子直径很小(0.289nm)，扩散系数很高(0.16cm³/s)，极易泄漏扩散，并且氢气无色无味泄漏后无法直接察觉，利用氢气过程中可能会造成严重的安全问题。因此，研究和开发一种灵敏可靠的氢气传感器，对保证氢能安全应用非常重要。目前氢气传感器使用和研究最多的是电化学型氢气传感器和电阻型氢气传感器，其中电化学型氢气传感器包括：电压型、电导型、电流型，电阻型氢气传感器包括：半导体型、金属型和晶体管型。电化学型传感器可在室温状态下工作，选择性好，但是体积大，寿命短，价格昂贵。电阻型传感器体积小、易于集成，成本低廉、使用寿命长，但工作温度高。因此，研究开发可在室温下工作且选择性好、体积小、易于集成，成本低廉、使用寿命长的氢气传感器，具有重要意义。

二维半导体材料与传统的半导体材料相比，二维半导体材料具有比表面积大，化学性质稳定，电子传输快，电子迁移率高等优点。二硫化钼(MoS₂)作为最有前途的二维材料之一，因其元素成分丰富,无毒,导电性好,电荷传输好，具有相当大的带隙(1.2-1.8eV)，并且与类似的硒化物和碲化物相比,易于单层或少层合成等优点而受到人们广泛关注。近年来，研究人员通过金属纳米颗粒(Pt、Pd）、碳纳米管、二氧化钛、石墨烯等对二硫化钼纳米片、纳米粉末进行修饰或掺杂，制备复合材料，设计出了一系列具有快速、灵敏的氢气传感器件。但是，大部分的器件存在成本高、寿命短等问题，而且，并没有显著降低器件的工作温度，使得功耗较大，且存在安全隐患。

目前，随着经济和科技的发展，低功耗、集成化、智能化是各个行业发展的趋势，因此非常必要研究开发在室温下工作，灵敏、可靠、成本低且易于集成的氢气传感器。本发明通过化学气相沉积法制备大面积二维MoS₂薄膜，实现了室温下对氢气的检测，降低了功耗，且二维MoS₂薄膜电子传输快，精度高，信噪比高，具有能与传统Si技术集成的高兼容性。其次，利用SnO₂对二维MoS₂薄膜进行修饰，实现了对氢气的从n型到p型响应的转变，可以用来设计传感器阵列，为面向不同应用需求，设计集成不同响应类型的传感器阵列提供了借鉴。

发明内容