专利名称：：纳米硅气敏材料及气敏元件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种纳米硅气敏材料及气敏元件，属于新材料技术与纳米材料领域。
背景技术：
：各种气体尤其是可燃性气体和毒性气体的检测监控已成为当前急需解决的问题，纳米气敏材料的研究对提高气敏材料的灵敏度、选择性和长期稳定性，以及如何降低工作温度和縮短响应温度时间等方面起着重大的作用。针对氢气、硫化氢、碳氢化合物、氮氧化合物、乙醇、丙酮等气体的纳米气敏材料的研究现状作了一定的研究，并对发展的趋势作了展望。由于工业生产和环境检测的迫切需要，气体传感器的研究和应用开发一直十分活跃。气体传感器是一种新型微量分析技术，它是把特定的气体种类及其浓度变成光电等信号来表示的功能元件。由于气体传感器灵敏度高，选择性好，携带方便和微型化，能用于现场分析和监控等特点，因此在环境监测、石油化工、以及日常生活中越来越多的被用来作为有害、易燃易爆气体的检测预报和自动控制装置。目前传统气体传感器存在的主要问题是灵敏度和选择性等特性不能满足超微量快速检测的要求，但是采用常规气体敏感材料很难达到超微量快速检测的水平。最近的纳米材料研究发现，当传感器材料进入纳米尺度后，利用其表面效应和尺度效应可以大幅度提高传感器的探测灵敏度，从而为实现超微量快速检测传感器开辟了一条崭新的思路。纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点一是纳米材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是大大縮小了传感器的尺寸。纳米技术为新型纳米气体传感器的发展提供了一系列优良的纳米气敏功能材料，如纳米管、纳米带、纳米线，纳米多孔材料等。目前国内外纳米材料气体传感器的研究已经获得了长足的进展。Kong等人2000年首次用单根单壁碳纳米管制作为化学传感器，用来检测N02和NH3[KongJ,FranklinNR,ZhouCW,ChaplineMQPengS,ChoKJ,DaiHJ.Nanotubemolecularwiresaschemicalsensors,Science2000,287,622-625];2001年王中林研究组将单根Sn02纳米带制作成气体传感器，用于测量CO及NCh[CominiE,FagliaGtSberveglieriGPanZW,WangZL.Stableandhighlysensitivegassensorsbasedonsemiconductingoxidenanobelts,AppliedPhysicsLetters2002,81,1869-1871]。国内的李亚栋研究组[8]研究了Fe203/ZnO核壳纳米棒结构对低浓度可燃性气体的探测能力。香港城市大学李述汤研究组发现用硅纳米线制备的气体传感器具有很高的NH3、水蒸汽灵敏度，并且在室温下能够进行实时监銜ZhouXT,HuJQ,LiCP,MaDDD,LeeCS,LeeST.Siliconnanowiresaschemicalsensors,ChemicalPhysicalLetters2003，369,220-224]。在我们发明的大面积纳米硅线制备技术和太阳能电池技术基础上[参见中国专利CN1382626;中国专利申请号2005100117533;中国专利申请号CN200810084205.7;KuiqingPeng,MingliangZhang,AijiangLu,NingBewWong,RuiqinZhang,Shuit-TongLee.OrderedSinanowirearraysviaNanosphereLithographyandMetal-inducedetching.AppliedPhysicsLetters2007,90，163123]，我们发明了一种基于我们具有自主知识产权技术制备的纳米硅气敏材料及气敏元件。
发明内容本发明目的是设计和提供一种具有高灵敏度的纳米硅气敏材料及其气敏元件。本发明提出的纳米硅气敏材料及气敏元件技术，其特征在于所述方法依次按如下步骤进行1)将硅片依次经过丙酮超声清洗，酒精振荡清洗，去离子水清洗，酸性清洗液溶液处理；淸洗硅片的目的在于获得清洁的硅表面；2)利用真空热蒸发技术(或化学镀技术)在步骤(1)得到的清洁硅表面沉积20—200nm厚的银(或金)膜，将沉积有的Ag膜的硅片浸入含有HF+H202+H20(也可以利用Fe(N03)3等氧化剂替换腐蚀液中的H202).的密闭容器中，室温一80摄氏度之间处理4~180分钟，即可获得纳米硅气敏材料；3)将步骤(1)得到清洁硅片直接浸泡入氢氟酸和硝酸银的混合溶液中，室温一80摄氏度之间处理4一100分钟，即可获得纳米硅气敏材料；4)利用化学镀或者电镀等技术在步骤(2)和(3)得到纳米硅材料表面沉积一层纳米铂(或金)颗粒，即可获得纳米硅气敏材料；5)在步骤(2)得到纳米硅材料表面制备两个间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；.6)在步骤(2)得到纳米硅材料表面与背面各制备一个金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；7)在步骤(3)得到纳米硅材料表面制备两个间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；8)在步骤(3)得到纳米硅材料表面与背面各制备一个金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；9)在步骤(4)得到纳米硅材料面制备两个间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；IO)在步骤(4)得到纳米硅材料表面与背面各制备一个金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述酸性清洗液为H2S04:H202=4:1(V/V),錄理条件为加热到沸腾状态后保持40—60分钟。硫酸浓度为98%。在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤2氢氟酸浓度范围为0.2—10mol/L，过氧化氢浓度范围为0.02_2mol/L,硝酸铁含量在0.01mol/l-0.50mol/l之间。在上述硅纳米线阵列的制备方法中，所述步骤3氢氟酸含量在0.2mol/l-10mol/l之间，硝酸银含量在0.005mol/l-0.10mol/l之间。图1为本发明的纳米硅气敏材料及其气敏元件示意图。1金属欧姆电极2金属欧米电极3纳米硅薄膜层4硅衬底5背电极具体实施方式1在清洗好的硅片表面用热蒸发沉积30nm厚的Ag膜，再将沉积有银膜的样品浸入含有氢氣酸和过氧化氢混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和过氧化氢的浓度分别为1.0mol/L和0.1mol/L)处理20分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面沉积间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式2在清洗好的硅片表面用化学镀沉积30nm厚的Ag膜，再将沉积有银膜的样品浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和过氧化氢的浓度分别为4.0mol/L和0.2mol/L)处理30分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面沉积间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式3在清洗好的硅片直接浸入含有氢氟酸和硝酸银混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和硝酸银的浓度分别为4.0mol/L和0.02mol/L)处理30分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面沉积间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式4在清洗好的硅片表面用化学镀沉积30nm厚的Ag膜，再将沉积有银膜的样品浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和过氧化氢的浓度分别为4.0mol/L和0.2mol/L)处理40分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面和背面分别沉积金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式5在清洗好的硅片直接浸入含有氢氟酸和硝酸银混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和硝酸银的浓度分别为4.0mol/L和0.02mol/L)处理60分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面和背面分别沉积金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式6在清洗好的硅片直接浸入含有氢氟酸和硝酸银混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和硝酸银的浓度分别为4.5mol/L和0.01mol/L)处理40分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面沉积间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式7在清洗好的硅片表面用热蒸发沉积30nm厚的Ag膜，再将沉积有银膜的样品浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和过氧化氢的浓度分别为4.5mol/L和2.0mol/L)处理20分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面沉积间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。具体实施方式8在清洗好的硅片表面用热蒸发沉积50nm厚的Ag膜，再将沉积有银膜的样品浸入含有氢氟酸和过氧化氢混合溶液的密闭容器釜中(氢氟酸和过氧化氢的浓度分别为4.5mol/L和0.5mol/L)处理20分钟，即可获得大面积纳米硅材料。在纳米硅材料表面沉积间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件。权利要求1、纳米硅气敏材料及气敏元件，其特征在于所述方法依次按如下步骤进行1)将硅片依次经过丙酮超声清洗，酒精振荡清洗，去离子水清洗，酸性清洗液处理；清洗硅片的目的在于获得清洁的硅表面；2)利用真空热蒸发技术(或化学镀技术)在步骤(1)得到的清洁硅表面沉积一层银(或金)膜，将沉积有的Ag膜的硅片浸入含有HF+H2O2+H2O(也可以利用Fe(NO3)3等氧化剂替换腐蚀液中的H2O2)的密闭容器中，室温—80摄氏度之间处理4—180分钟，即可获得纳米硅气敏材料；3)将步骤(1)得到清洁硅片直接浸泡入氢氟酸和硝酸银的混合溶液中，室温—80摄氏度之间处理4—180分钟，即可获得纳米硅气敏材料；4)利用化学镀或者电镀等技术在步骤(2)和(3)得到纳米硅材料表面沉积一层纳米铂(或金)颗粒，即可获得纳米硅气敏材料；5)在步骤2(或步骤3、4)得到纳米硅材料表面制备两个间隔一定距离的金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；6)在步骤2(或步骤3、4)得到纳米硅材料表面与背面各制备一个金属欧姆电极，引出外引线后即可成为一个简单的气敏元件；2、根据权利要求1所述的纳米硅气敏材料及气敏元件的制备方法，其特征在于所述酸性清洗液为H2S04:H202=4:1(V/V)，处理条件为加热到沸腾状态后保持40—60分钟。硫酸浓度为98%。3、根据权利要求1所述的纳米硅气敏材料及气敏元件的制备方法，其特征在于所述步骤2氢氟酸浓度范围为0.2_10mol/L，过氧化氢浓度范围为0.02—2mol/L，硝酸铁含量在0.01mol/l-0,50mol/l之间。4、根据权利要求1所述的纳米硅气敏材料及气敏元件的制备方法，其特征在于所述步骤3氢氟酸含量在0.2mol/l-10mol/l之间，硝酸银含量在0.005mol/l-0.10mol/l之间。全文摘要本发明公开了一种属于新材料技术与纳米材料领域的纳米硅气敏材料及气敏元件。其特征在于采用金属催化硅腐蚀制备纳米硅，适当添加铂(或金)等催化剂，可以制得基于纳米硅的气敏材料及对一氧化氮、二氧化氮等氮氧化合物气体、氨气等气体敏感的气敏元件。本发明具有元件选择性好，抗温、湿性能好，稳定性好，寿命长的优点，且无环境污染，工艺稳定，重复性好，便于批量生产。文档编号G01N27/00GK101419179SQ20081018312公开日2009年4月29日申请日期2008年12月12日优先权日2008年12月12日发明者彭奎庆,新王申请人:北京师范大学