一种气体传感器及其制备方法与流程

本发明涉及一种P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯的异质结型气体传感器及其制备方法。

背景技术：

纳米材料具有比表面积大、电学性质对表面吸附敏感等特点，将纳米技术应用于传感领域，有望制备出响应速度快、灵敏度高、选择性好的传感器件。半导体金属氧化物，尤其是氧化锡基纳米材料，由于其优越的光学、电学和气体传感特性而受到了广泛的关注。研究表明，掺杂能够进一步提高氧化锡基纳米材料的气体传感性能。虽然氧化锡基气体传感器已经取得了一定的成就，但是其灵敏度和选择性仍需进一步提高。减小粒子的尺寸和增加材料的比表面积是提高灵敏度和选择性的关键所在。

2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novosolevo制备出单原子片层、具有蜂窝状晶格结构的石墨烯。由于其典型的二维结构，石墨烯具有超高的比表面积、电导率对表面吸附敏感等优点。近期研究发现，石墨烯可应用于制备气体传感器并且对水蒸气、一氧化碳、氨气和二氧化氮气体具有良好的响应性。但是，石墨烯传感器对一些危险性气体的探测，如甲烷，至今尚未发现报道。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种异质结型气体传感器及其制备方法，所要解决的技术问题是提高气体传感器的响应速度和性能的稳定性，并尽量简化制备方法使其适于工业化生产。

本发明异质结型气体传感器的异质结是由P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯构成的。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明异质结型气体传感器具有如下结构：

在硅基底1的表面覆有二氧化硅层2，在二氧化硅层2的表面分散有平铺的镧掺杂氧化锡纳米带4，在所述镧掺杂氧化锡纳米带4的两端分别设置有欧姆电极3作为输出一极，所述欧姆电极3与所述镧掺杂氧化锡纳米带4呈欧姆接触；在所述镧掺杂氧化锡纳米带4上交叠覆有石墨烯5，所述石墨烯5位于两个欧姆电极3之间且与欧姆电极3隔离；在所述石墨烯5上设置有欧姆电极6作为另一输出极，所述欧姆电极6与所述石墨烯5呈欧姆接触且与镧掺杂氧化锡纳米带4和欧姆电极3隔离；

所述镧掺杂氧化锡纳米带4为P型镧掺杂氧化锡纳米带；所述石墨烯5为N型石墨烯；

所述欧姆电极3和欧姆电极6为金电极。

本发明异质结型气体传感器的制备方法如下：

将镧掺杂氧化锡纳米带4分散到硅基底1表面的二氧化硅层2上，随后采用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出一对电极图案，然后利用电子束镀膜技术蒸镀得到一对欧姆电极3，所述欧姆电极3与所述镧掺杂氧化锡纳米带4呈欧姆接触；将石墨烯5覆于二氧化硅层2的表面，利用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出与镧掺杂氧化锡纳米带4交叠且位于两个欧姆电极3之间并与欧姆电极3隔离的电极图案，然后利用氧等离子轰击除去电极图案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术制备得到欧姆电极6，所述欧姆电极6与石墨烯5形成欧姆接触且与镧掺杂氧化锡纳米带4和欧姆电极3隔离。

本发明异质结型气体传感器具有如下结构：

在硅基底7的表面覆有二氧化硅层8，在二氧化硅层8的表面平铺有石墨烯9，在石墨烯9上设置有绝缘层10，在所述绝缘层10的表面分散有镧掺杂氧化锡纳米带11且所述镧掺杂氧化锡纳米带11的一部分与石墨烯9接触；在绝缘层10上设置有欧姆电极12，所述欧姆电极12与镧掺杂氧化锡纳米带11呈欧姆接触；在石墨烯9上设置有欧姆电极13，所述欧姆电极13与绝缘层10、欧姆电极12和镧掺杂氧化锡纳米带11隔离；

所述镧掺杂氧化锡纳米带11为P型镧掺杂氧化锡纳米带；所述石墨烯9为N型石墨烯；

所述欧姆电极3和欧姆电极6为金电极。

本发明异质结型气体传感器的制备方法如下：

将石墨烯9平铺到硅基底7表面的二氧化硅层8上，采用紫外光刻和磁控溅射镀膜技术在石墨烯9的表面制备绝缘层10，将镧掺杂氧化锡纳米带11分散到绝缘层10上的边缘位置使所述镧掺杂氧化锡纳米带11有部分与石墨烯9交叠接触，利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在绝缘层10上制备欧姆电极12，所述欧姆电极12与所述镧掺杂氧化锡纳米带11呈欧姆接触；再次利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在石墨烯9上制备欧姆电极13，所述欧姆电极13与绝缘层10、欧姆电极12和镧掺杂氧化锡纳米带11隔离。

所述绝缘层10选自氮化硅(Si₃N₄)、氧化哈(HfO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化铝(Al₂O₃)或二氧化硅(SiO₂)，绝缘层10的厚度为10纳米至10微米。

本发明金电极的厚度为100nm。

本发明使用的P型镧掺杂氧化锡纳米带4和N型石墨烯5是按照现有技术采用化学气相沉积方法在水平管式石英炉中合成。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明涉及了一种工艺较为简单，成本低廉的的方法制备了P型氧化钛与N型石墨烯异质结型气体传感器。由于结区其内在电场的加速作用，异质结结型气体传感器探测速度明显更优。此外，石墨烯具有柔性、透明以及高电导率等特点，使探测器具备了较好的接收被探测气体的能力，因此具备了较高的响应度和增益。所以，利用镧掺杂氧化锡纳米带和石墨烯构筑成异质结型气体传感器具备了较高的探测率、较高的响应度、增益以及较快的探测速度，有利于气体传感器在快速集成电路中的应用。

附图说明

图1为本发明P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯异质结型气体传感器的结构示意图。

图中标号：1为硅基底；2为二氧化硅层；3为欧姆电极；4为镧掺杂氧化锡纳米带；5为石墨烯；6为欧姆电极。

图2为本发明P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯异质结型气体传感器的结构示意图。

图中标号：7为硅基底；8为二氧化硅层；9为石墨烯；10为绝缘层；11为镧掺杂氧化锡纳米带；12为欧姆电极；13为欧姆电极。

具体实施方式

实施例1：

本实施例P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯异质结型气体传感器具有如下结构：

参见图1，在覆有二氧化硅层2的硅基底1的表面分散有平铺的镧掺杂氧化锡纳米带4，在所述镧掺杂氧化锡纳米带4的两端分别设置有100纳米厚的金电极3作为输出一极，所述金电极3与所述镧掺杂氧化锡纳米带4呈欧姆接触；在所述镧掺杂氧化锡纳米带4上交叠覆有石墨烯5，所述石墨烯5位于两个金电极3之间且与金电极3隔离；在所述石墨烯5上设置有100纳米厚的金电极6作为另一输出极，所述金电极6与所述石墨烯5呈欧姆接触且与镧掺杂氧化锡纳米带4和金电极3隔离；

其中镧掺杂镧掺杂氧化锡纳米带4为P型镧掺杂镧掺杂氧化锡纳米带；所述石墨烯5为N型石墨烯。

本实施例中P型镧掺杂镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯结型气体传感器的制备方法如下：

首先，利用化学气相沉积方法在水平管式石英炉中合成镧掺杂镧掺杂氧化锡纳米带4和石墨烯5，将镧掺杂氧化锡纳米带4分散到覆有二氧化硅层2的硅基底1的表面，二氧化硅层2的厚度为300纳米，随后采用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出一对电极图案，然后利用电子束镀膜技术蒸镀得到一对100纳米厚的金电极3，所述金电极3与所述镧掺杂氧化锡纳米带4呈欧姆接触；将石墨烯5覆于二氧化硅层2的表面，利用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出与镧掺杂氧化锡纳米带4交叠且位于两个金电极3之间并与金电极3隔离的电极图案，然后利用氧等离子轰击除去电极图案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术制备得到100纳米厚的金电极6，所述金电极6与石墨烯5形成欧姆接触且与镧掺杂氧化锡纳米带4和金电极3隔离，由镧掺杂氧化锡纳米带4与石墨烯5形成异质结。

实施例2：

如图2所示，本实施例P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯异质结型气体传感器具有如下结构：

在覆有二氧化硅层8的硅基底7的表面平铺有石墨烯9，在石墨烯9上设置有30纳米厚的绝缘层10，在所述绝缘层10的表面分散有镧掺杂氧化锡纳米带11且所述镧掺杂氧化锡纳米带11的一部分与石墨烯9接触；在绝缘层10上设置有100纳米厚的金电极12，所述金电极12与镧掺杂氧化锡纳米带11呈欧姆接触；在石墨烯9上设置有100纳米厚的金电极13，所述金电极13与绝缘层10、金电极12和镧掺杂氧化锡纳米带11隔离；

所述镧掺杂氧化锡纳米带11为P型镧掺杂氧化锡纳米带；所述石墨烯9为N型石墨烯。

本实施例中所述绝缘层10为氮化硅。

本实施例中P型镧掺杂氧化锡纳米带与N型石墨烯结型气体传感器的制备方法如下：

首先，利用化学气相沉积方法在水平管式石英炉中合成镧掺杂氧化锡纳米带11和石墨烯9，将石墨烯9平铺到覆有二氧化硅层8的硅基底7的表面，采用紫外光刻和磁控溅射镀膜技术在石墨烯9的表面制备30纳米厚的绝缘层10，将镧掺杂氧化锡纳米带11分散到绝缘层10上的边缘位置使所述镧掺杂氧化锡纳米带11有部分与石墨烯9交叠接触，利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在绝缘层10上制备100纳米厚的金电极12，所述金电极12与所述镧掺杂氧化锡纳米带11呈欧姆接触；再次利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在石墨烯9上制备100纳米厚的金电极13，所述金电极13与绝缘层10、金电极12和镧掺杂氧化锡纳米带11隔离。