[发明专利]一种多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于气敏材料的，尤其涉及一种具有气敏特性的多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构的制备方法。

背景技术

日益发展的现代工业在提高人民的生活水平的同时，也不可避免的给生态环境带来了破坏。近年来，空气中有毒有害气体（如NH₃、NO_x、H₂S、和SO_x等）的含量不断攀升，大气污染问题日益严重，人们对生活环境的空气状况越来越关注，这推动了气敏材料和元器件的研究和发展。

钒是一种典型的多价态过渡金属元素，能够形成多种不同类型的钒氧化物，具有优异的电学、光学特性。氧化钒独特的结构和性能使其在锂离子电池材料、光电开关、催化剂、敏感元器件等方面受到广泛的关注，其中五氧化二钒对乙醇有很好的气敏特性。一维的金属氧化物半导体纳米结构因其具有纳米尺寸、比表面积较大、表面活性较高等原因，非常适合制作气敏传感器。一维钒氧化物因其特有的层状结构，具有良好的气敏特性，目前氧化钒一维纳米材料的制备多采用水热法、化学气相沉积等方法。

多孔硅是一种新型的室温气敏材料，是在硅片表面形成的一种具有高比表面积的多孔状疏松结构，具有很高的化学活性，对NH₃、NO₂等具有敏感特性。但是，基于大孔硅的气敏传感器灵敏度较低，反应速度较慢。

对此，基于本发明人已有的一维金属氧化物纳米材料的研究基础和对国内外研究现状的分析，本发明首次采用在大孔硅基底上溅射金属钒薄膜，通过热处理金属钒膜的方法在多孔硅层表面及孔洞中生长氧化钒纳米棒，将多孔硅和氧化钒一维纳米材料结合开发一种具有二者优势的气敏材料。

发明内容

本发明的目的，是在现有技术的基础上，提供一种具有多孔硅和氧化钒一维纳米材料两者优势的多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构的新方法。利用多孔硅与氧化钒纳米棒二者的纳米效应，开发一种具有较高灵敏度和较快的反应速度的新型室温气敏材料。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构的制备方法，具有如下步骤：

（1）清洗硅片

将p型单面抛光的单晶硅基片放入清洗液中浸泡40分钟，除去表面有机污染物，所述清洗液为双氧水与浓硫酸的体积比=1：3的溶液；再以去离子水冲洗，然后放入质量分数为5%的氢氟酸水溶液中浸泡20～30分钟，除去表面氧化层；再依次放入丙酮溶剂、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15～20分钟，清洗掉表面的离子及有机物杂质，备用；

（2）制备多孔硅层

采用双槽电化学腐蚀法在步骤（1）清洗过的硅基片抛光表面制备多孔硅层，所用腐蚀液为质量分数为48%的氢氟酸和二甲基甲酰胺的混合溶液，腐蚀电流为80～120mA/cm²，腐蚀时间为8～15min；

（3）溅射金属钒薄膜

将步骤（2）制备好的多孔硅基片置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.99%的金属钒作为靶材，以质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，本体真空度为2～4×10^-4Pa，基片温度为室温，氩气气体流量为45～50mL/min，溅射工作压强为2～3Pa，溅射功率为120～150W，溅射时间为30～90min，在多孔硅表面溅射形成金属钒薄膜；

（4）制备多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构

将步骤（3）中溅射有金属钒薄膜的多孔硅基片置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为550～650℃，恒温时间为15～60min，升温速率为5～8℃/min；关闭马弗炉电源，自然降到室温，即制得多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构。

所述步骤（2）的腐蚀液由质量分数为48%的氢氟酸和二甲基甲酰胺按体积比1：2混合而成，腐蚀电流为100mA/cm²，腐蚀时间为8min。

所步骤（3）的超高真空对靶磁控溅射设备的真空室为DPS-Ⅲ型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，本体真空度为2.4×10^-4Pa，溅射工作压强为2Pa，氩气气体流量为48mL/min，溅射功率为135W。

所步骤（4）的热处理设备为马弗炉，在空气气氛下进行热处理，热处理温度为600℃，升温速率为5℃/min。

本发明的有益效果如下：

1)本发明制备多孔硅基氧化钒纳米棒复合结构所采用的工艺方法简单，重复性好，参数易于控制；