[发明专利]基于置换反应-热氧化方法制备复合半导体敏感膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合半导体敏感膜制备技术领域，特别是一种基于置换反应-热氧化方法制备复合半导体敏感膜的方法，以制备可应用于传感器及催化的掺杂CuO的ZnO敏感膜。

背景技术

由于CO的高毒性以及H₂的危险性，因此对于它们在环境监测、工业生产、医疗护理等中的监测和检测非常重要。检测CO和H₂的传感器有电化学传感器、红外传感器、催化燃烧式气体传感器和半导体气体传感器等，其中，电化学传感器有着易于中毒的缺点；红外传感器成本高，而且不易携带；催化燃烧式气体传感器则选择性比较差；半导体气体传感器是通过半导体敏感膜与气体的吸附和反应从而引起其电学特性的变化，通过检测其变化来实现识别和检测其浓度的功能，半导体敏感膜的种类多样，而且可以通过掺杂等手段提高其选择性和灵敏度，因此半导体气体传感器在检测气体方面有着较好的前景。

由于半导体气体传感器是利用敏感膜与反应物发生反应而达到检测敏感物的原理，因此敏感膜的选择和制备对半导体气体传感器性能有着决定性的影响，是半导体气体传感器的核心技术。

ZnO是一种比较成熟的半导体敏感材料，其在检测CO、H₂等气体有着良好的性能，ZnO构成的敏感膜已经被广泛的研究。而合理掺杂的ZnO敏感膜会使半导体气体传感器对检测CO和H₂等气体的灵敏性和稳定性有很大提高。但是，目前应用掺杂的ZnO敏感膜的气体传感器，大部分都是通过溶液反应后将掺杂后的ZnO复合物转移到传感器基底上，其膜的粘附性较差，有时候还需要与有机粘附剂混合后才能转移到传感器基底上。而应用磁控溅射等其他手段掺杂的ZnO难以控制掺杂颗粒的分布和形态，都有着其局限性，而且其掺杂物质的颗粒大小不易控制。

因此寻找一种粘附性好、可控掺杂的ZnO敏感膜的新型成膜方式对于半导体气体传感器领域的研究和工业生产都有积极的作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于置换反应-热氧化方法制备复合半导体敏感膜的方法，以制备出掺杂CuO纳米颗粒的ZnO敏感膜。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供一种基于置换反应-热氧化方法制备复合半导体敏感膜的方法，该方法包括：在耐高温衬底上生长一层Zn；将生长有Zn的衬底浸入Cu的可溶性盐离子溶液中，溶液中的Cu离子被置换出来进而在Zn表面析出Cu纳米颗粒；以及对表面附着有Cu纳米颗粒的Zn进行热氧化处理，将Cu纳米颗粒氧化为CuO纳米颗粒，得到掺杂CuO纳米颗粒的ZnO气体敏感膜。

上述方案中，所述在耐高温衬底上生长一层Zn的步骤中，是采用电子束蒸发或磁控溅射的方法在耐高温衬底上生长一层Zn。

上述方案中，所述耐高温衬底是硅、石英、氧化铝或陶瓷。所述Zn的厚度在10nm至5000nm之间。

上述方案中，所述将生长有Zn的衬底浸入Cu的可溶性盐离子溶液的步骤中，Cu的可溶性盐离子溶液为Cu(NO₃)₂、CuCl₂、CuSO₄、Cu(NO₃)₂或Cu(CH₃COO)₂。Cu的可溶性盐离子溶液的摩尔浓度为10^-5M-10^-1M。浸入时间为30秒至5小时。

上述方案中，所述对表面附着有Cu纳米颗粒的Zn进行热氧化处理的步骤中，热氧化处理的工艺为：氧化炉的温度为400℃-950℃，时间为3小时-12小时。

(三)有益效果

本发明提供的这种基于置换反应-热氧化方法制备复合半导体敏感膜的方法，先在耐高温衬底上淀积一层Zn，然后直接将淀积有Zn的衬底浸入Cu的盐离子溶液中，通过置换反应可以使Cu原子在Zn上面直接被还原出来进而在Zn表面析出Cu纳米颗粒，再经过热氧化而形成掺杂CuO的ZnO敏感膜。置换过程可以在常温下进行，也可以在水浴里进行，易于控制，而且反应温度低，耗能少。同时本发明是直接在衬底上制备原位掺杂CuO的ZnO敏感膜，不需要像溶胶凝胶和水热反应及其他溶液反应制备纳米材料的方法那样需要干燥离心，而且也不需要将制好的纳米材料转移到衬底上。而且反应条件易于控制，同时适合批量生产，效率高于一般制备纳米材料的溶液反应，也不需要用到昂贵的设备，ZnO敏感膜的粘附性好，可控掺杂性好，具有很好的应用前景。