[发明专利]β－Ga2O3纳米线及其气体传感器的制备和实现快速响应的气体传感方法

说明书

技术领域

本发明涉及β-Ga₂O₃纳米线及其气体传感器的制备、该传感器在紫外光照射下实现对氧气的快速反应的气体传感方法。

背景技术

纳米材料由于比表面积大，使其电学性质对表面吸附非常敏感，当外界环境因素改变时会迅速引起表面、界面离子、电子输运等情况的变化，显著影响其电阻，利用其电阻的变化可做成传感器，其特点是灵敏度高。目前许多气体传感器已经采用了纳米颗粒结构，它们比表面积大，表面活性高，对周围环境非常敏感，但是传感器的电阻较大，在高温下容易团聚，严重影响了传感器的长期稳定性和灵敏度。而一维纳米材料不仅具有比表面积大的优点，而且电导率大，在高温下也不易团聚，可显著提高传感器的电导和稳定性。因此，研究人员将纳米管、纳米线、纳米带等一维纳米材料应用于气体传感领域，并取得了较好的结果。

一维纳米结构半导体金属氧化物的电导，如氧化锌、氧化锡、氧化铟纳米线对周围气体是相当灵敏的。近几年，由于它们在未来小型气体传感器上潜在的应用，因此受到研究人员的广泛关注。电导的改变是由于对气体分子的吸附和解吸附作用，另外还由于对纳米线中载流子浓度和迁移率边的调制作用。然而，由于相对慢的气体吸附和解吸附过程，纳米线的电导对周围气体的反应较慢。这个缺点限制了它们在快速-反应气体传感器上的应用。

实现快速反应的方法是快速调节纳米线中的载流子浓度。众所周知，在一个半导体中，由于快速的电子—空穴对的产生和再结合过程，使载流子浓度可以通过光来很快地大幅度地调节。研究表明，高电导的氧化物纳米线在光照下，需要很长时间达到平衡，然而，低电导的氧化物纳米线在光照下，短时间即可达到平衡。本发明中，我们基于这种低电导的氧化物纳米线达到平衡块的特点来实现光驱动氧气传感。这种做法还未见没有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种β-Ga₂O₃纳米线的制备方法及其在紫外光照射下实现对氧气的快速反应，所述方法简单、可控，成本低；制备的器件稳定性好、反应时间快、灵敏度高。

本发明的技术方案之一是，所述β-Ga₂O₃纳米线的制备方法的步骤是：

(1)将1纳米—1微米厚的金膜沉积在基片衬底上；

(2)将镓金属颗粒放入矾土舟中，衬底放在距离舟0.8厘米—1.2厘米处，使之按下述条件一同加热、保温；

(3)将矾土舟放入石英管中，再将石英管放入管式炉中，然后将管式炉加热到970℃-990℃，保持0.9-1.1小时；

(4)加热炉内通入380sccm-420sccm(毫升/分钟)的氮气；

(5)在管式炉冷却到室温后，产物-β-Ga₂O₃纳米线在基片衬底上生成；

所述的基片衬底，可以是N型硅衬底或P型硅衬底、绝缘硅衬底，也可以是其它耐高温材料。

所述的金膜，可以通过热蒸发、溅射或电子束蒸发的方法沉积，金膜厚度在1纳米-1微米厚，以10纳米厚为优选之一。

所述的加热过程还可以是在一定真空中加热或在大气中加热。不过，加热系统内部需要有一定含量的氧存在。

本发明的技术方案之二是，所述β-Ga₂O₃纳米线气体传感器的制备方法：

(1)厚度为40nm-60nm的金电极通过电子束沉积法沉积到厚度为

400nm-600nm、下面附有Si0₂层的硅衬底上。

(2)两电极距离0.8μm-1.2μm；

(3)将单根β-Ga₂O₃纳米线放到所述电极上，使之连接该两电极；

(4)引线连接，即得传感器产品，所成产品再经24小时老化处理。

所述两个电极的基片是在陶瓷片上通过光刻实现。

所述的两个导电电极的基片可以是在硅片或陶瓷等绝缘片。其电极可通过光刻或印刷等方法实现。所述的导电电极可以是金属电极，如金、耐高温的白金电极等，还可以是石墨等电极。并且值得注意的是纳米线的表面要非常光滑。

所述的烘干或烧结(老化处理)主要是为了提高ITO纳米线在基片或陶瓷管上的粘结度，防止脱落，提高器件稳定性。