气体筛选膜及其制造方法和面罩与流程

本发明涉及气体筛选领域，具体地，涉及一种气体筛选膜、该气体筛选膜的制造方法和包括所述气体筛选膜的面罩。

背景技术：

总体而言，气体筛选方法分为化学方法和物理方法两大类，其中，物理方法是利用气体筛选膜对分子量不同的气体进行分离筛选。但是，目前常用的气体筛选膜仅能够对分子量相差较大的气体(例如，氢气和二氧化碳)进行分离，无法对分子量接近的气体进行筛选分离，从而限制了气体筛选膜的应用领域。

因此，如何对气体分子量相差较小的不同气体进行筛分成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气体筛选膜、该气体筛选膜的制造方法和包括所述气体筛选膜的面罩。所述气体筛选膜能够对分子量相差较小的气体进行筛分。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种气体筛选膜，其中，所述气体筛选膜包括至少一个气体筛选元件，所述气体筛选元件形成为包括栅极、绝缘间隔层、第一电极、半导体纳米片分离层和第二电极的晶体管，所述栅极与所述半导体纳米片分离层之间设置有所述绝缘间隔层。

优选地，在同一个所述气体筛选元件中，所述栅极、所述绝缘间隔层、所述第一电极、所述半导体纳米片分离层和所述第二电极层叠设置。

优选地，所述气体筛选膜包括多个沿平行于层叠设置的方向间隔设置的所述气体筛选元件。

优选地，在同一个所述气体筛选元件中，所述栅极、所述绝缘间隔层和所述半导体纳米片分离层层叠设置，所述第一电极和第二电极设置在同一层，且互相间隔，所述第一电极的至少一部分设置在所述半导体纳米片分离层上，所述第二电极的至少一部分设置在所述半导体纳米片分离层上。

优选地，所述气体筛选膜包括多个沿垂直于层叠设置的方向间隔设置的所述气体筛选元件，多个所述气体筛选元件的纳米片分离层形成为一体。

优选地，所述半导体纳米片分离层的材料为金属有机框架材料纳米膜片或者层状过渡金属硫化物。

优选地，所述栅极、所述第一电极和所述第二电极中的至少一者由单层石墨烯材料制成，或者，

所述栅极、所述第一电极和所述第二电极中的至少一者由纳米银线网制成，所述纳米银线网包括多条交错的纳米银线。

优选地，所述绝缘间隔层的材料包括三氧化二铝。

优选地，所述气体筛选膜包括与所述栅极层电连接的栅极引线、与所述第一电极层电连接的第一电极引线和与所述第二电极层电连接的第二电极引线。

作为本发明的第二个方面，提供一种气体筛选膜的制造方法，其中，所述气体筛选膜包括至少一个气体筛选元件，所述制造方法包括：

形成气体筛选元件，所述气体筛选元件形成为包括栅极、绝缘间隔层、第一电极、半导体纳米片分离层和第二电极的晶体管，所述栅极与所述半导体纳米片分离层之间设置有所述绝缘间隔层。

优选地，所述气体筛选膜包括多个沿平行于层叠设置的方向间隔设置的所述气体筛选元件，形成气体筛选元件的步骤包括：

提供衬底基板；

在所述衬底基板上形成栅极层；

形成绝缘层；

形成第一电极层；

形成半导体纳米片分离材料层；

形成第二电极层；

将所述衬底基板剥离，以获得元件层；

对所述元件层进行分割，以获得多个所述气体筛选元件，其中，所述栅极层分割形成为多个栅极，所述绝缘层分割形成为多个所述绝缘间隔层，所述第一电极层分割形成为多个所述第一电极，所述半导体纳米片分离材料层分割形成多个所述半导体纳米片分离层，所述第二电极层分割形成多个所述第二电极。

优选地，形成气体筛选元件的步骤包括：

提供衬底基板；

在所述衬底基板上形成包括栅极层的图形，所述栅极层包括至少一个栅极；

形成包括绝缘层的图形，所述绝缘层包括至少一个绝缘间隔层；

形成包括第一电极层的图形，所述第一电极层包括至少一个第一电极；

形成包括半导体纳米片分离层的图形，包括所述半导体纳米分离层的图形包括至少一个半导体纳米片分离层；

形成包括电极层的图形，所述电极层包括多个第一电极和多个第二电极，以获得多个气体筛选元件，在同一个所述气体筛选元件中，所述第一电极和所述第二电极互相间隔，所述第一电极的一部分设置在所述半导体纳米片分离层上，所述第二电极的一部分设置在所述半导体纳米片分离层上；其中，

所述制造方法还包括：

将所述衬底基板剥离。

优选地，所述气体筛选膜包括多个气体筛选元件，多个所述半导体纳米片分离层形成为一体。

优选地，所述栅极、所述第一电极和所述第二电极中的至少一者由单层石墨烯材料制成，或者，

所述栅极、所述第一电极和所述第二电极中的至少一者由纳米银线网制成，所述纳米银线网包括多条交错的纳米银线。

优选地，所述半导体纳米片分离层的材料为金属有机框架材料纳米膜片或者层状过渡金属硫化物，在形成包括半导体纳米片分离层的图形的步骤中，通过丝网印刷形成包括纳米片分离层的图形。

优选地，所述制造方法还包括：

形成包括栅极引线的图形，所述栅极引线与所述栅极层电连接；

形成包括第一电极引线的图形，所述第一电极引线与所述第一电极层电连；

形成包括第二电极引线的图形，所述第二电极引线与所述第二电极层电连接。

优选地，所述绝缘间隔层的材料包括三氧化二铝。

作为本发明的第三个方面，提供一种面罩，所述面罩包括气体过滤部，其中，所述气体过滤部包括本发明所提供的上述气体筛选膜。

半导体纳米片分离层为二维材料，具有可以通过气体的分子的空隙。并且，该半导体纳米片分离层对气体的活性受半导体纳米片分离层中载流子浓度影响较大。通过向气体筛选元件的栅极提供开启电压、第一电极提供第一参考电压、第二电极提供第二参考电压，可以激发半导体纳米片分离层中的载流子移动。通过设置第一电极和第二电极之间的压差以及栅极的电压可以改变半导体纳米片分离层中的载流子浓度。

如上文中所述，该半导体纳米片分离层对气体的活性受半导体纳米片分离层中载流子浓度影响较大，因此，通过设置个电压值，可以提高半导体纳米片分离层对某一气体的活性而降低半导体纳米片分离层对其他气体的活性。由此，可以利用本发明所提供的气体筛选膜对分子量较为接近的气体(例如，筛分c2h4和n2)进行筛选，也可以利用本发明所提供的气体筛选膜对分子量相差较大(例如，筛分h2和co2)的气体进行筛选，从而使得所述气体筛选膜具有较广的应用范围。

在本发明中，所述气体筛选膜可用于高精密探测器、可穿戴设备等领域。并且，由于所述气体筛选元件为晶体管，而晶体管为低伏元件，因此，在对气体进行筛分时，所述气体筛选膜能耗较低。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所提供的气体筛选膜的一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明所提供的气体筛选膜在绝缘块处的剖视示意图；

图3是本发明所提供的气体筛选膜的另一种实施方式的示意图；

图4是本发明所提供的气体筛选膜的制造方法中，形成气体筛选元件的步骤的第一种实施方式的流程图；

图5是本发明所提供的气体筛选膜的制造方法中，形成气体筛选元件的步骤的第二种实施方式的流程图。

附图标记说明

110：栅极120：绝缘间隔层

130：第一电极140：半导体纳米片分离层

150：第二电极

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的一个方面，如图1至图3所示，提供一种气体筛选膜，其中，如图2所示，所述气体筛选膜包括至少一个气体筛选元件，如图1和图2所示，所述气体筛选元件形成为包括栅极110、绝缘间隔层120、第一电极130、半导体纳米片分离层140和第二电极150的晶体管，栅极110与半导体纳米片分离层140之间设置有绝缘间隔层120。

半导体纳米片分离层140为二维材料，具有可以通过气体的分子的空隙。并且，该半导体纳米片分离层对气体的活性受半导体纳米片分离层140中载流子浓度影响较大。通过向气体筛选元件的栅极110提供开启电压、第一电极130提供第一参考电压、第二电极150提供第二参考电压，可以激发半导体纳米片分离层140中的载流子移动。通过设置第一电极130和第二电极150之间的压差以及栅极110的电压可以改变半导体纳米片分离层140中的载流子浓度。

如上文中所述，该半导体纳米片分离层对气体的活性受半导体纳米片分离层中载流子浓度影响较大，因此，通过设置个电压值，可以提高半导体纳米片分离层对某一气体的活性而降低半导体纳米片分离层对其他气体的活性。由此，可以利用本发明所提供的气体筛选膜对分子量较为接近的气体(例如，筛分c2h4和n2)进行筛选，也可以利用本发明所提供的气体筛选膜对分子量相差较大(例如，筛分h2和co2)的气体进行筛选，从而使得所述气体筛选膜具有较广的应用范围。

在本发明中，所述气体筛选膜可用于高精密探测器、可穿戴设备等领域。并且，由于所述气体筛选元件为晶体管，而晶体管为低伏元件，因此，在对气体进行筛分时，所述气体筛选膜能耗较低。

在本发明中，可以通过多种方式设置气体筛选元件来获得气体筛选膜。

作为本发明的一种实施方式，所述气体筛选元件可以为垂直型薄膜晶体管。具体地，在同一个所述气体筛选元件中，如图1所示，栅极110、绝缘间隔层120、第一电极130、半导体纳米片分离层140和第二电极150层叠设置。

由于气体筛选元件是垂直型的薄膜晶体管，当向栅极110、第一电极130和第二电极150分别提供相应的电压信号时，半导体纳米片分离层140的垂直于层叠设置的方向上(即，图1中的竖直方向)的载流子浓度会发生改变。当向气体筛选元件的一侧提供两种气体时，只有相对活性较高的气体可以透过气体筛选元件。具体地，如图1中所示，虚线箭头表示一种气体，点划线箭头表示另一种气体。向栅极110、第一电极130和第二电极150提供合适的电压可以提高半导体纳米片分离层140对点划线箭头表示的气体的活性，从而可以允许点划线箭头表示的气体通过，而不允许虚线箭头表示的气体通过。

在本发明中，对如何将图1中所示的气体筛选元件设置在气体筛选膜中并不做特殊的限定。例如，如图3所示，气体筛选膜可以包括形成有多个安装通孔的膜本体，每隔安装通孔中均设置有至少一个气体筛选元件。在这种实施方式中，所述气体筛选膜包括多个沿平行于层叠设置的方向间隔设置的所述气体筛选元件。

膜本体由不通气的材料制成，如无机绝缘层、树脂材料层等，从而可以确保气体筛选结果的准确性，以及还可以起到保护作用。

作为本发明的另外一种实施方式，所述气体筛选元件可以是横向薄膜晶体管。如图2所示，在同一个所述气体筛选元件中，栅极110、绝缘间隔层120和半导体纳米片分离层140层叠设置，第一电极130和第二电极140设置在同一层，且互相间隔。第一电极130的至少一部分设置在半导体纳米片分离层140上，第二电极150的至少一部分设置在半导体纳米片分离层140上。

在图2中所示的实施方式中，当向栅极110提供开启电压、第一电极130提供第一参考电压、第二电极150提供第二参考电压时，半导体纳米片分离层140平行于层叠设置的方向上的载流子浓度(即，图2中的竖直方向)会发生变化。当向半导体纳米片分离层140的一侧提供多种不同气体时，相对于半导体纳米片分离层140活性高的气体通过半导体纳米片分离层140。

在本发明中，不同气体筛选元件的绝缘间隔层可以是互相独立的小块。

当然，本发明并不限于此，为了便于成膜，不同气体筛选元件的绝缘间隔层可以形成为一体，且绝缘间隔层上形成有多个通气孔，从而便于实现气体筛选。

当气体筛选元件为横向薄膜晶体管时，如图2所示，多个气体筛选元件沿垂直于层叠设置的方向间隔设置，且多个所述气体筛选元件的纳米片分离层形成为一体。

此处，多个气体筛选元件间隔设置是指，多个气体筛选元件的电极(包括栅极、第一电极、第二电极)是间隔设置的。

需要指出的是，可以根据实际的工艺条件调节所述气体筛选膜中气体筛选元件之间的间隔，在工艺条件允许的情况下，气体筛选元件可以尽量靠近，从而可以确保不同区域的纳米片分离层的载流子浓度的变化是一致的，以达到气体筛选的目的。

如图2中所示，虚线箭头表示一种气体，点划线箭头表示另一种气体。向栅极110、第一电极130和第二电极150提供合适的电压可以提高半导体纳米片分离层对点划线箭头表示的气体的活性，从而可以允许点划线箭头表示的气体通过，而不允许虚线箭头表示的气体通过。

在本发明中，对栅极、第一电极、第二电极的具体材料均不作特殊限定。例如，可以利用金属材料形成第一电极、第二电极以及栅极。为了防止在形成电极时对半导体纳米片分离层的结构造成影响，优选地，可以利用单层石墨烯材料制成栅极110、第一电极130和第二电极150中的至少一者。或者，可以利用金属网(例如，纳米银线网，该纳米银线网包括交错的多条纳米银线)制成栅极110、第一电极130和第二电极150中的至少一者。无论何种材料制成气体筛选膜的各个电极，都具有较小的厚度，因此，本发明所提供的气体筛选膜是超薄材料，适用于目前电子设备轻薄化的需求。

在本发明中，对半导体纳米片分离层的具体材料并没有特殊的限制，作为一种实施方式，所述半导体纳米片分离层的材料为金属有机框架材料纳米膜片(例如，zn2(bim)3材料制成的纳米膜片)。金属有机框架材料纳米膜片本身具有丰富的骨架结构和尺寸在分子尺度的高密度孔道。在不加电的情况下，金属有机框架材料纳米膜片本身就是较好的高通量气体分离膜。具体地，利用金属有机框架材料纳米膜片可以对分子量相差相对较大的气体进行筛分。在加电的情况下，金属有机框架材料纳米膜片内的载流子浓度会发生变化。

在本发明中，对金属有机框架材料纳米膜片制成的半导体纳米分离层的厚度并不做特殊的限定，例如，半导体纳米片分离层140的厚度可以在1nm至10nm之间。

当然，本发明并不限于此，例如，所述半导体纳米片分离层140的材料还可以为层状过渡金属硫化物(例如，mos2)。

在本发明中，对绝缘间隔层120的具体材料并没有特殊的限制。作为一种优选实施方式，绝缘间隔层120的材料包括三氧化二铝。

为了便于向气体筛选膜供电、驱动气体筛选膜工作，优选地，所述气体筛选膜包括与所述栅极层电连接的栅极引线、与所述第一电极层电连接的第一电极引线和与所述第二电极层电连接的第二电极引线。

作为本发明的第二个方面，提供一种气体筛选膜的制造方法，其中，所述制造方法包括：

形成气体筛选元件，所述气体筛选元件形成为包括栅极、绝缘间隔层、第一电极、半导体纳米片分离层和第二电极的晶体管，所述栅极与所述半导体纳米片分离层之间设置有所述绝缘间隔层。

如上文中所述，气体筛选元件可以是垂直型薄膜晶体管，也可以是横向薄膜晶体管。不同类型的气体筛选元件制作工艺不同。

具体地，当气体筛选元件为垂直型薄膜晶体管时，如图4所示，形成气体筛选元件的步骤可以包括如下步骤：

在步骤s410中，提供衬底基板；

在步骤s420中，在所述衬底基板上形成栅极层；

在步骤s430中，形成绝缘层；

在步骤s440中，形成第一电极层；

在步骤s450中，形成半导体纳米片分离材料层；

在步骤s460中，形成第二电极层；

在步骤s470中，将所述衬底基板剥离，以获得元件层；

在步骤s480中，对所述元件层进行分割，以获得多个所述气体筛选元件，其中，所述栅极层分割形成为多个栅极，所述绝缘层分割形成为多个所述绝缘间隔层，所述第一电极层分割形成为多个所述第一电极，所述半导体纳米片分离材料层分割形成多个所述半导体纳米片分离层，所述第二电极层分割形成多个所述第二电极。

在这种实施方式中，所述制造方法还包括：

提供膜本体，所述膜本体上形成有多个安装通孔；

将所述气体筛选元件设置在所述安装通孔中。

当所述气体筛选元件为图2中所示的横向气体筛选元件时，如图5所示，形成气体筛选元件的步骤包括：

在步骤s510中，提供衬底基板；

在步骤s520中，在所述衬底基板上形成包括栅极层的图形，所述栅极层包括至少一个栅极；

在步骤s530中，形成包括绝缘层的图形，所述绝缘层包括至少一个绝缘间隔层；

在步骤s540中，形成包括半导体纳米片分离层的图形，包括所述半导体纳米分离层的图形包括至少一个半导体纳米片分离层；

在步骤s550中，形成包括电极层的图形，所述电极层包括至少一个第一电极和至少一个第二电极，以获得多个气体筛选元件，在同一个所述气体筛选元件中，所述第一电极和所述第二电极互相间隔，所述第一电极的一部分设置在所述半导体纳米片分离层上，所述第二电极的一部分设置在所述半导体纳米片分离层上；

相应地，所述制造方法还包括：将所述衬底基板剥离，以获得所述气体筛选膜。

在本发明所提供的制造方法中，将形成为气体筛选膜制造在衬底基板上，可以提高产品的良率。

如上文中所述，所述栅极、所述第一电极和所述第二电极中的至少一者由单层石墨烯材料制成。或者，所述栅极、所述第一电极和所述第二电极中的至少一者由纳米银线网制成，所述纳米银线网包括多条交错的纳米银线。

当电极层由单层石墨烯材料制成时，可以利用溶液转移单层石墨烯的方法形成相应电极层的图形。

当电极层为纳米银线网时，可以利用丝网印刷的方式相应电极层的图形。

如上文中所述，所述半导体纳米片分离层的材料为mof纳米膜片：zn2(bim)3或者层状过渡金属硫化物，在形成包括半导体纳米片分离层的图形的步骤中，通过丝网印刷形成包括半导体纳米片分离层的图形。

为了便于制造，优选地，所述衬底基板为柔性基体层。

进一步优选地，所述柔性基体层的材料包括聚二甲基硅氧烷(pdms)。

为了便于供电，优选地，所述制造方法还包括：

形成包括栅极引线的图形，所述栅极引线与所述栅极层电连接；

形成包括第一电极引线的图形，所述第一电极引线与所述第一电极层电连；

形成包括第二电极引线的图形，所述第二电极引线与所述第二电极层电连接。

可以在同一步骤中形成上述栅极引线、第一电极引线和第二电极引线，然后通过过孔等手段将各引线图形与相应的电极层电连接。

也可以在不同过的步骤中形成上述引线。例如，可以在形成栅极层的同时形成栅极引线、形成第一电极层的同时形成第一电极引线、在形成第二电极层的同时星辰该第二电极引线。

如上文中所述，所述绝缘间隔层的材料包括三氧化二铝。

作为本发明的第三个方面，提供一种面罩，所述面罩包括气体过滤部，其中，所述气体过滤部包括本发明所提供的上述气体筛选膜。

如上文中所述，可以通过控制所述气体筛选膜中纳米片分离层中载流子的浓度控制该纳米片分离层对气体的活性，因此，通过控制施加在气体筛选膜的筛分元件的第一极和第二极的电压，即可实现只允许特定气体通过，从而实现更好的防护功能。

例如，所述面罩可以是防煤气面罩，通过设置筛分元件的第一极和第二极的电压，可以防止一氧化碳通过所述气体筛选膜，从而实现对佩戴者更好的保护。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。