一种量子传输型高性能薄膜感知材料及其制备方法与流程

本发明涉及新材料技术领域，具体为一种量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法。

背景技术

基于纳米效应的薄膜感知材料正受到研究界和产业界的日益重视，纳米材料具有独特的性质，可以作为性能优异的敏感材料，从而开发出性能比现有薄膜感知材料更为优异的新一代薄膜感知材料，目前，美国、欧盟和日本相继将传感技术列为21世纪优先发展的重点技术，据美国nanomarkets-lc的调查报告，未来二十年量子传输型高性能薄膜感知材料将获得持续的发展，2012年市场规模已达到172亿美元，量子传输型高性能薄膜感知材料在整个薄膜感知材料市场所占比例已达28％以上，我国也已经启动物联网计划试图分享此类科技发展的红利，基于我国的特殊情况，量子传输型高性能薄膜感知材料将借助物联网的推广而实现快速的产值增加。

在薄膜感知材料主流的应用领域，如医药和保健、军事和国土安全、工业控制和机器人、智能汽车、网络通讯以及环境监测等方面，量子传输型高性能薄膜感知材料都具有广阔的发展前景和市场期待，例如，薄膜感知材料技术是汽车电子的关键核心技术之一，目前一辆国内普通家用轿车上大约安装了几十只甚至上百只感知材料，豪华轿车有时要采用几百只感知材料，发展中的智能汽车中，则将包含数已千计的量子传输型高性能薄膜感知材料，薄膜感知材料的数量和技术水平决定了汽车控制系统级别的高低，它用得越多，汽车的电子化，自动化程度也就越高，2014年全球汽车薄膜感知材料市场规模为196.9亿美元，到2020年市场规模将达到309亿美元，2015-2020年，年复合增长率为7.8％，目前我国汽车薄膜感知材料产业整体水平较低，90％的汽车用薄膜感知材料市场被大陆、博世和德尔福等外资企业垄断，尽快扭转这一局面，提高国产汽车薄膜感知材料的技术水平，是构建我国未来汽车竞争力的关键之一。

目前，国内较为新兴的电化学类氢气薄膜感知材料及光纤型氢气薄膜感知材料，由于产品进入门槛较高，生产企业少，在国内面临的竞争较少，并且目前生产出的薄膜感知材料性能不高，使得灵敏度不高、量程补款和响应速度不快等因素，造成了无法在高端氢气传感领域完全打破国外的技术垄断，故而提出一种量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法来解决上述所提出的问题。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法，具备性能高等优点，解决了目前生产出的薄膜感知材料性能不高，使得灵敏度不高、量程补款和响应速度不快等因素，造成了无法在高端氢气传感领域完全打破国外的技术垄断的问题。

(二)技术方案

为实现上述性能高目的，本发明提供如下技术方案：一种量子传输型高性能薄膜感知材料，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极20-50克、单晶硅片50-90克、sio2绝缘层10-30克、金属薄膜20-40克、pd纳米粒子50-100克、pmma保护层60-80克、cr纳米粒子50-100克、ni纳米粒子50-100克、ai纳米粒子50-100克、pet塑料100-120克和pd-ni合金纳米粒子50-100克。

优选的，所述量子传输型高性能薄膜感知材料分为量子电导纳米薄膜感知材料和量子电导力学薄膜感知材料，量子电导纳米薄膜感知材料通过在特殊设计的叉指电极的电极对间气相沉积金属纳米粒子密集排列点阵所构成。

优选的，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极20克、单晶硅片50克、sio2绝缘层10克、金属薄膜20克、pd纳米粒子50克、pmma保护层60克、cr纳米粒子50克、ni纳米粒子50克、ai纳米粒子50克、pet塑料100克和pd-ni合金纳米粒子50克。

优选的，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极30克、单晶硅片70克、sio2绝缘层15克、金属薄膜30克、pd纳米粒子75克、pmma保护层70克、cr纳米粒子75克、ni纳米粒子75克、ai纳米粒子75克、pet塑料110克和pd-ni合金纳米粒子75克。

优选的，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极50克、单晶硅片90克、sio2绝缘层30克、金属薄膜40克、pd纳米粒子100克、pmma保护层80克、cr纳米粒子100克、ni纳米粒子100克、ai纳米粒子100克、pet塑料120克和pd-ni合金纳米粒子100克。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法，包括以下步骤：

1)基底电极的加工:量子电导氢气薄膜感知材料的基底为带有叉指电极(interdigitalelectrode简称ide)的单晶硅片(100)衬底，并且硅片表面长有sio2绝缘层，电极通过光刻工艺将金属薄膜覆盖在sio2绝缘层之上，叉指电极的结构示意图如图1所示，这种结构的电极可以在很小的尺寸上实现大量的可能产生量子隧穿的近距邻接纳米粒子通道，为纳米粒子薄膜的电导实时监测提供足够的灵敏度，有利于系统的集成化，能有效降低材料成本，叉指电极采用光阻剥落法工艺制备，由于需要用到全套的紫外曝光和真空镀膜工艺，在小规模生产阶段，根据自行设计的结构外协加工，当产量达到一定规模后，也可考虑自检光刻生产线，量子电导力学薄膜感知材料的基底为带有叉指电极的pet塑料或带有叉指电极的橡胶中的一种，在薄膜表面制备金属叉指电极，叉指电极通过真空热蒸发镀膜制备，在蒸发源和基底之间设置掩模，该工艺过程在自建的高真空镀膜机上完成；

2)密集纳米粒子点阵的沉积：纳米粒子点阵的沉积在基于磁控等离子体气体聚集团簇束流沉积系统上进行，每条沉积线包括磁控等离子体气体聚集团簇束流源、差分真空系统、超高真空沉积室及实时电导监测诸部分，利用石英晶体振荡器膜厚监控仪来对纳米粒子的淀积速率进行原位监测，通过对纳米粒子点阵电导的实时监测在1纳米量级控制纳米粒子面间距，由此调控点阵内近距邻接纳米粒子链中的量子隧穿，实现纳米粒子点阵的非金属—金属转变，并获得处于非金属—金属转变中过渡相的纳米粒子点阵，这种近距邻接纳米粒子点阵的形成是获得量子电导薄膜感知材料的关键，对于量子电导氢薄膜感知材料，采用直径为8nm的金属pd纳米粒子或pd-ni合金纳米粒子中的一种，对于量子电导力学薄膜感知材料，则采用直径为10nm的cr、ni和al等纳米粒子；

3)引线封装：对于氢薄膜感知材料，在超净室完成薄膜感知材料芯片引线连接，在芯片表面旋涂pmma保护层，然后将芯片封装于基座上，对于力学薄膜感知材料，根据特定的功能建立相应的引线和封装工艺。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法，具备以下有益效果：

该量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法，通过团簇束流沉积技术是当前纳米粒子组装薄膜气相制备的主流技术，具有与现有器件制造工艺兼容度高、工艺过程定量可控和高效低成本的优势，通过薄膜感知材料芯片量产设备的建立，实现薄膜感知材料芯片的规模化生产，将进一步降低薄膜感知材料的成本，量子传输型高性能薄膜感知材料具有极低的功耗和高度的集成特性，使之特别适合于用作具备信息处理功能的低功耗网络薄膜感知材料，这也是大部分其它类型薄膜感知材料不易做到的，利用纳米材料制成极为灵敏的生物和化学薄膜感知材料，可以对癌症和心血管疾病等进行早期诊断，利用碳纳米管和其他纳米微结构的化学薄膜感知材料能够检测氨、氧化氮、过氧化氢、碳氢化合物、挥发性有机化合物以及其他气体，与具有相同功能的其他分析仪相比，它不仅尺寸要小而且价格也便宜，传统的电学薄膜感知材料主要也是通过金属或半导体箔片的电阻变化实现传感测量的，但是，量子电导纳米薄膜感知材料与其是完全不同的，首先，量子电导纳米薄膜感知材料中电子的传输是通过量子隧穿机制实现的，这与传统的电学薄膜感知材料中基于电子漂移的经典传输过程完全不同，量子电导对纳米粒子面间距的变化极其灵敏，可以轻易测得原子直径数量级的面间距变化引起的电导变化，这使得量子电导纳米薄膜感知材料具有极高的灵敏度，如量子电导纳米应变薄膜感知材料的灵敏度可比常规的金属应变片高几十到上百倍，其次，纳米粒子点阵的等效电阻在m欧以上，远远大于金属箔片的电阻，因此可以实现低功耗(纳w到微w量级)与微型化，易于与电学测量单元集成于一个芯片上，与mems高度兼容。

附图说明

图1为本发明中叉指电极的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

一种量子传输型高性能薄膜感知材料，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极20克、单晶硅片50克、sio2绝缘层10克、金属薄膜20克、pd纳米粒子50克、pmma保护层60克、cr纳米粒子50克、ni纳米粒子50克、ai纳米粒子50克、pet塑料100克和pd-ni合金纳米粒子50克。

量子传输型高性能薄膜感知材料分为量子电导纳米薄膜感知材料和量子电导力学薄膜感知材料，量子电导纳米薄膜感知材料通过在特殊设计的叉指电极的电极对间气相沉积金属纳米粒子密集排列点阵所构成。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种量子传输型高性能薄膜感知材料的制备方法，包括以下步骤：

1)基底电极的加工:量子电导氢气薄膜感知材料的基底为带有叉指电极(interdigitalelectrode简称ide)的单晶硅片(100)衬底，并且硅片表面长有sio2绝缘层，电极通过光刻工艺将金属薄膜覆盖在sio2绝缘层之上，叉指电极的结构示意图如图1所示，这种结构的电极可以在很小的尺寸上实现大量的可能产生量子隧穿的近距邻接纳米粒子通道，为纳米粒子薄膜的电导实时监测提供足够的灵敏度，有利于系统的集成化，能有效降低材料成本，叉指电极采用光阻剥落法工艺制备，由于需要用到全套的紫外曝光和真空镀膜工艺，在小规模生产阶段，根据自行设计的结构外协加工，当产量达到一定规模后，也可考虑自检光刻生产线，量子电导力学薄膜感知材料的基底为带有叉指电极的pet塑料或带有叉指电极的橡胶中的一种，在薄膜表面制备金属叉指电极，叉指电极通过真空热蒸发镀膜制备，在蒸发源和基底之间设置掩模，该工艺过程在自建的高真空镀膜机上完成；

2)密集纳米粒子点阵的沉积：纳米粒子点阵的沉积在基于磁控等离子体气体聚集团簇束流沉积系统上进行，每条沉积线包括磁控等离子体气体聚集团簇束流源、差分真空系统、超高真空沉积室及实时电导监测诸部分，利用石英晶体振荡器膜厚监控仪来对纳米粒子的淀积速率进行原位监测，通过对纳米粒子点阵电导的实时监测在1纳米量级控制纳米粒子面间距，由此调控点阵内近距邻接纳米粒子链中的量子隧穿，实现纳米粒子点阵的非金属—金属转变，并获得处于非金属—金属转变中过渡相的纳米粒子点阵，这种近距邻接纳米粒子点阵的形成是获得量子电导薄膜感知材料的关键，对于量子电导氢薄膜感知材料，采用直径为8nm的金属pd纳米粒子或pd-ni合金纳米粒子中的一种，对于量子电导力学薄膜感知材料，则采用直径为10nm的cr、ni和al等纳米粒子；

3)引线封装：对于氢薄膜感知材料，在超净室完成薄膜感知材料芯片引线连接，在芯片表面旋涂pmma保护层，然后将芯片封装于基座上，对于力学薄膜感知材料，根据特定的功能建立相应的引线和封装工艺。

实施例二：

一种量子传输型高性能薄膜感知材料，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极30克、单晶硅片70克、sio2绝缘层15克、金属薄膜30克、pd纳米粒子75克、pmma保护层70克、cr纳米粒子75克、ni纳米粒子75克、ai纳米粒子75克、pet塑料110克和pd-ni合金纳米粒子75克。

除以上不同之外，本实施例二的其它均与上述实施例一相同，且本实施例二同样具有如上述实施例一的优点，在此不再一一赘述。

实施例三：

一种量子传输型高性能薄膜感知材料，包括以下重量份数配比的原料：叉指电极50克、单晶硅片90克、sio2绝缘层30克、金属薄膜40克、pd纳米粒子100克、pmma保护层80克、cr纳米粒子100克、ni纳米粒子100克、ai纳米粒子100克、pet塑料120克和pd-ni合金纳米粒子100克。

除以上不同之外，本实施例三的其它均与上述实施例一相同，且本实施例三同样具有如上述实施例一的优点，在此不再一一赘述。

本发明的有益效果是：通过团簇束流沉积技术是当前纳米粒子组装薄膜气相制备的主流技术，具有与现有器件制造工艺兼容度高、工艺过程定量可控和高效低成本的优势，通过薄膜感知材料芯片量产设备的建立，实现薄膜感知材料芯片的规模化生产，将进一步降低薄膜感知材料的成本，量子传输型高性能薄膜感知材料具有极低的功耗和高度的集成特性，使之特别适合于用作具备信息处理功能的低功耗网络薄膜感知材料，这也是大部分其它类型薄膜感知材料不易做到的，利用纳米材料制成极为灵敏的生物和化学薄膜感知材料，可以对癌症和心血管疾病等进行早期诊断，利用碳纳米管和其他纳米微结构的化学薄膜感知材料能够检测氨、氧化氮、过氧化氢、碳氢化合物、挥发性有机化合物以及其他气体，与具有相同功能的其他分析仪相比，它不仅尺寸要小而且价格也便宜，传统的电学薄膜感知材料主要也是通过金属或半导体箔片的电阻变化实现传感测量的，但是，量子电导纳米薄膜感知材料与其是完全不同的，首先，量子电导纳米薄膜感知材料中电子的传输是通过量子隧穿机制实现的，这与传统的电学薄膜感知材料中基于电子漂移的经典传输过程完全不同，量子电导对纳米粒子面间距的变化极其灵敏，可以轻易测得原子直径数量级的面间距变化引起的电导变化，这使得量子电导纳米薄膜感知材料具有极高的灵敏度，如量子电导纳米应变薄膜感知材料的灵敏度可比常规的金属应变片高几十到上百倍，其次，纳米粒子点阵的等效电阻在m欧以上，远远大于金属箔片的电阻，因此可以实现低功耗(纳w到微w量级)与微型化，易于与电学测量单元集成于一个芯片上，与mems高度兼容。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。