专利名称：一种具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料及其制备方法。
技术背景酒精气体传感器已被广泛应用于环境监测、化工、安全等领域。目前，大多数酒 精气体传感器是由金属氧化物(如镉、铟、钐的氧化物等)、碳纳米管、以及氧化物 与稀有金属的合成物等制成的。金属氧化物的制备过程比较复杂，往往需要经过低温 下溶液反应、烘干、中温煅烧、高温煅烧、老化等过程，整个工序需要数十天的时间， 并且某些金属氧化物对人体有损害(中国发明专利98125730.5)。碳纳米管传感器需 要比较先进的微加工仪器。而氧化物与稀有金属的合成物制备条件也比较苛刻，工作 温度较高[Sens. Actuators B 77(2001)443]。近年来，电导型气敏传感器的利用正引起人们的关注。电导型气敏传感器是利用 待测气体分子与气敏材料表面发生吸附或反应而引起电荷的转移(或电荷载体浓度的 变化)，进而导致气敏材料电导率的变化来检测待测气体分子的存在。人们研究了 ZnO 纳米线对酒精气体的传感特性，在300 °C、 1 ppm酒精气体条件下的灵敏度为1.9， 200 ppm时的灵敏度为47，远优于ZnO厚膜，显示出良好的应用前景[Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3654]。人们还研究了 ZnO纳米花的气敏特性，发现在300 t)时纳米花对0.5 ppm、 50 ppm和100 ppm酒气的灵敏度分别为1.6、 11.4和14.6，对0.5 ppm酒气的 响应时间为2秒。当构成纳米花的ZnO纳米棒直径减小时，灵敏度显著上升[Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 213111]。单壁半导体碳纳米管构成的场效应晶体管暴露在酒精气 体中时，晶体管的漏电流显著改变[Nano Lett 3(2003)877]。纳米氧化物的酒精气敏性 通常在高温下有较好的效果，而且基于纳米线或纳米管的传感器制备工艺也较复杂。目前，还没有采用碳薄膜/硅异质结材料的电学特性来探测酒精气体的报道。 发明内容本发明的目的是要提供一种具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料及其 制备方法。本发明的目的是这样实现的，以厚度为0.5 1.0毫米的单晶硅片为衬底，用磁控 溅射的方法将纯度为99.9%的石墨靶或者将掺杂质量含量为0 10%铁的石墨复合靶 溅射到抛光的单晶硅基片表面上，形成厚度为20 200纳米的薄膜，制成碳薄膜/硅 异质结材料或者掺杂碳薄膜/硅异质结材料。该材料具有明显的酒精气体敏感效应， 可用于制造电导型气敏传感器。该碳薄膜/硅异质结材料的制备方法是通过以下步骤 实施-(1) 取纯度为99.9%的石墨粉，或者取纯度均为99.9%的石墨粉和铁粉，通过冷 压的方法，制成含铁0 10%(质量分数)的石墨复合靶。(2) 先用摩尔浓度为20%的氢氟酸溶液浸泡实验所需的厚度为0.5 1.0毫米的硅 基片5分钟，然后依次用去离子水、乙醇、丙酮、乙醇在超声波中各清洗硅基片5分 钟。(3) 将清洗好的硅基片放入溅射室，开启抽真空系统进行抽真空。(4) 当背景真空为2xl0"帕时，通入氩气，并维持2帕的压强，待气压稳定后，开始用石墨靶溅射，或者用掺铁的石墨复合靶溅射，溅射功率为50瓦，溅射直流电 压为0.50千伏，溅射时间为5 50分钟，溅射温度为室温至400。C。(5) 溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在真空度较高的环 境下自然冷却，待样品温度降至室温，取出样品即可。(6) 这样制备的碳薄膜/硅异质结材料，或者铁掺杂碳薄膜/硅异质结材料的薄膜厚 度为20 200纳米，具有明显的酒精气体敏感效应。在200ppm酒精气氛中，材料的 电阻值在空气和酒精气体中相差50%以上。本发明所提供的碳薄膜/硅异质结酒精气敏材料，对酒精气体具有明显的敏感效 应。用它制造的电导型气敏传感器对酒精具有敏感效应，能在室温下工作，制备简单， 易实现器件的微型化、集成化，且灵敏度高、响应时间短、稳定性好。
图1为依据本发明所提供的碳薄膜/硅异质结酒精气敏材料制造的电导型酒精气 敏传感器的结构示意图。图2为室温下依据本发明制作的电导型酒精气敏传感器在200ppm酒精氛围中， 在酒精气和空气中的电流一电压曲线。该材料的制备参数沉积温度为室温，溅射时 间为30分钟，薄膜厚度约为100纳米。图3为在室温下依据本发明所制造的电导型酒精气敏传感器在200卯m酒精氛 围中，电阻对酒精气体的敏感性测试结果示意图(测试电压为14伏特)。该材料的制 备参数沉积温度为室温，溅射时间为30分钟，薄膜厚度约为IOO纳米。图4为在室温下依据本发明所制造的电导型酒精气敏传感器在200 ppm酒精氛 围中，电阻对酒精气体的敏感性测试结果示意图(测试电压为10伏特)。该材料的制 备参数沉积温度为室温，溅射时间为20分钟，薄膜厚度约为80纳米。
具体实施例方式下面结合附图和实施例来详细描述本发明。实施例1，取纯度为99.9%的石墨粉用冷压法制成纯石墨靶。用磁控溅射的方法将 纯碳溅射到一块厚度为1.0毫米的单晶硅基片1上，在单晶硅基片上形成一层厚度约 为100纳米的碳薄膜2，在异质结材料上接通直流电源4， 3为电源线与材料的接点， 5为电流表，成为电导型酒精气敏传感器，如图1所示。该异质结材料的制备参数 溅射直流电压为0.50千伏，溅射直流电流为O.IO安培，溅射沉积温度为室温，溅射 时间为30分钟。对样品在室温下的电阻对酒精气体和空气的敏感性进行了测试，测 试结果如图3所示。结果表明在酒精气体浓度为200ppm氛围中，样品的电阻比在 空气中的电阻增加大约50%以上。实施例2，取纯度为99.9%的石墨粉用冷压法制成纯石墨靶。用磁控溅射的方法将 纯碳溅射到一块厚度为1.0毫米的单晶硅基片1上，在单晶硅基片上形成一层厚度约 为80纳米的碳薄膜2，在异质结材料上接通直流电源4， 3为电源线与材料的接点，5 为电流表，成为电导型酒精气敏传感器，如图1所示。该异质结材料的制备参数溅 射直流电压为0.50千伏，溅射直流电流为0.10安培，溅射沉积温度为室温，溅射时 间为20分钟。对样品在室温下的电阻对酒精气体和空气的敏感性进行了测试，测试 结果如图4所示。结果表明在酒精气体浓度为200卯m氛围中，样品的电阻比在空 气中的电阻增加大约50%以上。与现有技术相比，本发明所提供的碳薄膜/硅异质结酒精气敏材料所制成的气敏 传感器具有以下优点①对酒精气体具有敏感效应。②在室温下工作，易实现器件的 微型化、集成化。③具有灵敏度高、响应时间短、稳定性好、可重复的特点。④生产 工艺简单，成品率高、成本低，具有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料，其特征是在一块0.5～1.0毫米厚的抛光单晶硅基片上，溅射一层类金刚石碳薄膜，薄膜的厚度为20～200纳米。
2. 依据权利要求1所述的具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料，其特 征是所说的类金刚石碳薄膜中可以含有质量含量为0 10%的铁，制成掺杂碳薄膜/ 硅异质结材料。
3. —种具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料的制备方法，包括以下步骤(1) 取纯度为99.9%的石墨粉，或者取纯度均为99.9%的石墨粉和铁粉，通过冷 压的方法，制成含铁0 10%(质量分数)的石墨复合靶；(2) 先用摩尔浓度为20%的氢氟酸溶液浸泡实验所需的厚度为0.5 1.0毫米的硅 基片5分钟，然后依次用去离子水、乙醇、丙酮、乙醇在超声波中各清洗硅基片5分 钟；(3) 将清洗好的硅基片放入溅射室，开启抽真空系统进行抽真空；(4) 当背景真空为2xl0"帕时，通入氩气，并维持2帕的压强，待气压稳定后，开始用石墨靶溅射，或者用掺铁的石墨复合靶溅射，溅射功率为50瓦，溅射直流电 压为0.50千伏，溅射时间为5 50分钟，溅射温度为室温至400 'C;(5) 溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在真空度较高的环 境下自然冷却，待样品温度降至室温，取出样品即可。
全文摘要
本发明提供了一种具有酒精气体敏感效应的碳薄膜/硅异质结材料及其制备方法，该材料是通过磁控溅射的方法，将纯度为99.9％的石墨靶或者将含有0～10％(质量分数)铁的铁-石墨复合靶溅射到抛光的硅基片上，形成一层厚度为20～200纳米的薄膜。该碳薄膜/硅异质结新材料具有明显的酒精气体敏感效应，可以用于制备电导型酒精气敏传感器，在室温下工作，制备简单，易实现器件的微型化、集成化，且灵敏度高、响应时间短、稳定性好，生产工艺简单，成本低，具有广阔的应用前景。
文档编号G01N33/98GK101334413SQ20081013833
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月11日 优先权日2008年7月11日
发明者严克友, 丹 夏, 群 李, 薛庆忠, 郝兰众 申请人:中国石油大学(华东)