[发明专利]一种具有氢气敏感效应的二硫化钼/硅异质薄膜器件及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米半导体技术领域，涉及半导体薄膜制备和器件加工技术，具体地说是涉及一种具有氢气敏感效应的二硫化钼/硅异质薄膜器件及其制备方法和应用。

背景技术

作为一种还原性气体和载气，H₂已被广泛应用于石化、电子、医疗、航空等领域。同时，H₂作为新型高效清洁能源，也已引起了广泛关注和大量研究。但氢气分子很小，在生产、传输和使用过程中极易发生泄漏。当空气中H₂含量达5％～75％时，在明火条件下即可发生剧烈爆炸。因此，对空气和特定环境中的氢气含量进行快速、准确的原位测量，具有重大的应用价值，同时也具有重要的学术意义。现有的研究表明，H₂传感器发展的关键在于氢敏材料的研究和制备，氢敏材料的敏感响应性和重现性决定着H₂传感器的工作性能。近年来，国内外对H₂传感器的研制主要集中于半导体型、热电型、光学型、电化学型等H₂传感器。在各种类型的H₂传感器中，半导体型H₂传感器(包括金属氧化物半导体型和半导体肖特基型)具有制备工艺简单、响应时间短、重复性好等诸多优点，现已成为应用最为广泛的H₂传感器之一。但同时现有的半导体型H₂传感器仍然存在着一些不足之处制约着它的发展：金属氧化物半导体型H₂传感器需要在有氧条件下工作，这大大限制了它的使用范围；肖特基型H₂传感器则需要贵金属(Pt、Pd等)载体，这导致其成本大幅增加。为此，各种新型半导体材料不断被应用于新型H₂传感器的研制，其中MoS₂材料更值得关注。

MoS₂，通常被称为辉钼，在自然界中含量丰富。据统计，全球钼储量约为1900万吨，而我国的钼矿资源也相当丰富，总储量约为800多万吨，仅次于美国居世界第2位。MoS₂是典型的层状结构，每个单元均是S-Mo-S的“三明治”结构。层与层之间以较弱的范德华力相结合，具有较大的空隙；层内则以共价键紧密结合在一起，每个Mo原子被六个S原子包围，呈三角棱柱状，暴露出很多Mo-S棱面，可作为催化活性和气体吸附中心。因此，MoS₂材料在研制新型气体传感器领域存在广阔的应用前景。已报道的理论计算结果显示：MoS₂容易对H₂产生吸附，并导致其电阻发生明显变化。这一计算结果表明，MoS₂可用于研制H₂传感器，但目前在国内外并无相关试验结果的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有氢气敏感效应的二硫化钼/硅异质薄膜器件以及该二硫化钼/硅异质薄膜器件的制备方法和应用。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种具有氢气敏感效应的二硫化钼/硅异质薄膜器件，包括Si衬底与MoS₂薄膜层，MoS₂薄膜层设置在Si衬底表面。

优选的，所述Si衬底为p型Si单晶衬底，电阻率为1～10Ωcm^-1；所述MoS₂薄膜层厚度为30～50nm。

优选的，所述Si衬底表面还覆盖有掩模片，掩模片位于MoS₂薄膜层与Si衬底之间。

优选的，所述Si衬底与MoS₂薄膜层上压制有金属电极，金属电极连接导线。

一种具有氢气敏感效应的二硫化钼/硅异质薄膜器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取Si衬底，对其进行清洗，然后采用化学腐蚀方法去除清洗后Si衬底表面氧化层；

(2)对去除表面氧化层的Si衬底进行干燥，然后覆盖掩模片；

(3)将覆盖掩模片的Si衬底放入真空腔，在Ar气环境下，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击MoS₂靶材，在Si衬底表面沉积MoS₂薄膜层，制得MoS₂/Si异质薄膜；

(4)分别在MoS₂/Si异质薄膜的MoS₂薄膜和Si衬底上完成金属电极的压制，并引出导线，制得MoS₂/Si异质薄膜器件。