[发明专利]一种多孔硅基氧化钨纳米线复合结构气敏材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于复合结构气敏材料的，尤其涉及一种多孔硅基氧化钨纳米线复合结构气敏材料的制备方法。

背景技术

随着科技水平和工业现代化的高速发展，人民生活水平日益提高，但不可避免地带来对生态环境的严重破坏。近年来，大气污染问题日益严重，大量有毒有害气体（如NH₃、NO_x、H₂S、SO_x和CO等）在空气中的含量也不断上升，已逐渐对人类的健康和安全形成威胁。针对此类问题，人们利用现代传感技术开发各种气敏传感器，以及时准确地监控环境中的有毒有害气体。这为新型气敏材料开发和研究提供了广阔的应用前景和重要的发展意义。

氧化钨气敏材料由于对NO_x、NH₃等气体灵敏度高、响应时间和恢复时间短、易于测量与控制、价格低廉等优点而被认为是最具应用前景和发展前途的气敏材料之一，成为科技人员新的关注与研究热点。然而氧化钨气敏传感器工作温度高(250℃左右)这一缺点为传感系统集成化、微小型化增加了复杂性和不稳定性，成为制备低功耗系统必须逾越的障碍。为此科技人员一直在致力于降低其工作温度的研究。与传统的氧化钨材料相比，氧化钨纳米线具有更大的比表面积，其在气敏传感器、电致发光、光致发光、电导电极及光催化等方面均具有广泛的应用前景。特别是在氧化物半导体气敏传感器应用领域，氧化钨纳米线除了具有大的比表面积外，还具有更大的表面活性和更强的吸附能力，加快了与气体的反应，从而大大提高了灵敏度并进一步降低了传感器的工作温度。同时，新型室温气敏材料多孔硅(Porous Silicon，PS)也引起科研人员的关注。多孔硅是在硅片表面通过腐蚀形成的具有大比表面积的多孔性疏松结构的一种材料，具有很高的化学活性，其电学性能对氨气具有敏感特性，是一种很有潜力的新型室温气敏材料。但是多孔硅气敏传感器存在灵敏度略低、反应速度慢、恢复时间长等缺点。

随着环保意识的增强，人们对气敏传感器提出了更高的要求，基于对国内外研究现状的分析、对所论及的新型传感器研究发展中关键问题的理解以及发明人已有的研究基础，本发明采用双槽电化学腐蚀法制备多孔硅层，利用气相沉积法制备氧化钨纳米线，将两种最具前途的气敏传感器材料复合在一起。

发明内容

本发明的目的是克服单一气敏材料存在的缺点，提供一种以多孔硅为基底制备氧化钨纳米线复合结构气敏材料的方法，可以显著提高敏感材料的比表面积，并且利用两种半导体材料间发生电荷转移形成的异质结改变氧化钨纳米线的氧化还原电势，从而进一步提高对探测气体的响应。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种多孔硅基氧化钨纳米线复合结构气敏材料的制备方法，具体有如下步骤：

（1）清洗硅基片衬底

将p型单面抛光的硅基片衬底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗10~20分钟，除去表面油污及有机物杂质；随后放入质量百分比为5%的氢氟酸水溶液中浸泡15~30分钟，除去表面的氧化层；再用去离子水冲洗净，备用；

（2）制备多孔硅层

采用双槽电化学腐蚀法在清洗过的硅基片抛光表面制备多孔硅层，所用腐蚀电解液由质量百分比为40%的氢氟酸与二甲基甲酰胺组成，其体积比为1：2，施加的腐蚀电流密度为50~80mA/cm²，腐蚀时间为5~15min；

（3）制备多孔硅基氧化钨纳米线复合结构气敏材料

将纯度为99.99%钨粉盛于氧化铝瓷舟内，放置在水平管式炉恒温区中央；将步骤（2）制得的多孔硅放置在管式炉出气口方向距离氧化铝瓷舟12~16cm处；通入氩气清洗炉管后，抽真空至炉内真空度在10Pa以下；然后通入氩氧混合气体，所述氩气纯度为99.999%，所述氧气的纯度为99.999%，调节进气阀门使得炉内压强保持在50~150Pa；加热到反应温度950~1200℃，恒温80~120min后，关闭管式炉电源，在混合气体气氛下降至室温，在多孔硅表面气相沉积生长氧化钨纳米线，制得多孔硅基氧化钨纳米线复合结构气敏材料。

所述步骤(1)采用单晶硅基片作为衬底，其尺寸为2.0~2.4cm×0.8~0.9cm，电阻率为0.01~0.015Ω·cm，厚度为350~500μm。

所述步骤（2）通入的氩氧混合气体中氩气与氧气的比例为10：1。

所述步骤（2）采用的升温速率为30℃/min。

所述步骤（2）制备的多孔硅平均孔径1~2μm，厚度为5~50μm。