[发明专利]金掺杂多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合结构气敏材料的制备方法，特别涉及一种多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构的制备方法。

背景技术

在过去的几十年内，伟大的技术革命不仅促进了人类文明的快速发展，而且提高了人们的生活水平，但是随着不断向大气中排放有毒有害气体，人类赖以生存的生态环境遭到了严重破坏。NO_x气体就是其中一种，每天向大气中不停地排放NO_x气体，将对人类的身体健康以及动植物包括水生动植物和陆生动植物造成严重影响。据医学数据考证，短期暴露于NO_x气体之下，可能会引起呼吸系统疾病，比如会使健康人群患上气道炎，使原本有哮喘病的人群加重病情。而如果长期暴露于NO_x气体之下，则可能导致人群患上肺水肿甚至死亡。在加热或阳光下，氮氧化物气体将会与氨气、水分子、碳氢化合物以及其他化合物反应形成微小粒子，穿透进入肺部从而引起或恶化肺气肿以及支气管炎等呼吸系统疾病，甚至加重心脏病。在城市地区，氮氧化物的主要释放来源分别是化石燃料的燃烧、能源生产、运输等方面。为了能够实时而有效地监测有毒有害气体保护人类生存环境，我们急需一种可以探测气体种类以及浓度的气敏传感器。

纳米结构金属氧化物气敏传感器因其低功耗、高性能而得到了广大学术界以及工商界的关注。其中，氧化钨是一种宽禁带的N型金属氧化物半导体，已经有报道提到它对NO、NO₂等氮氧化物气体的检测有很好的选择性与灵敏度。然而和大多数金属氧化物半导体类似，氧化钨的工作温度较高，这极大地增加了传感器的功耗。此外，基于氧化钨的气体传感器仍普遍存在反应时间长、气体选择性差等气敏特性问题，这对气体传感技术的微型化、集成化发展增加了许多复杂性和不稳定性。为此科技人员一直致力于降低气敏材料工作温度的研究。研究表明，一维氧化钨纳米结构具有较大的比表面积、表面活性以及较强的气体吸附能力，从而能加快气体之间的反应，在进一步提高灵敏度的同时有效的较低工作温度。

硅基多孔硅是一种在硅片表面形成孔径尺寸、孔道深度以及孔隙率可调的极具潜力的新型气敏材料。此外，因制作工艺易与微电子工艺技术兼容，硅基多孔硅成为最具吸引力的研究领域之一。其特殊的微观结构可获得巨大的比表面积，并且可以为气体的扩散提供有效通道，使其具有良好的气敏性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种金掺杂多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构的制备方法，克服现有技术中基于氧化钨纳米结构气敏材料工作温度较高的问题。

本发明的技术方案是：

.一种金掺杂多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)硅基片的清洗

将P型单面抛光的单晶硅基片放入浓硫酸与过氧化氢的混合液中浸泡30～50min，随后置于氢氟酸与去离子水的混合液中浸泡20～40min，然后分别在丙酮和乙醇中超声清洗10～20min，以除去硅基片表面的油污、有机物杂质和表面氧化层，最后将硅基片放入无水乙醇中备用；

(2)制备多孔硅

采用双槽电化学腐蚀法在步骤(1)的单晶硅片的抛光表面制备多孔硅层，所用电解液由质量浓度为40％的氢氟酸和质量浓度为40％二甲基甲酰胺组成，体积比为1:2，在室温且不借助光照的环境下通过改变电流密度和腐蚀时间改变多孔硅的平均孔径和厚度，施加的电流密度为50～80mA/cm²,腐蚀时间为5～10min；

(3)金掺杂

将步骤(2)制备的多孔硅进行金溅射，在多孔硅表面沉积金薄膜；

(4)制备种子溶液

将钨酸钠溶于100ml的去离子水中，利用磁力搅拌机使之全部溶解，随后逐滴加入稀盐酸，直至不再产生白色沉淀，然后将混合液静置1～3h，将上层清液倒掉后再利用低速离心机离心底层的沉淀，再将沉淀溶入过氧化氢中形成浓度为0.5～1M的黄色透明的种子溶液；

(5)制备种子层

将步骤(4)中制备的种子溶液旋涂于步骤(3)中所制备的金掺杂的多孔硅上，然后置于马弗炉中进行退火处理，退火温度为600～700℃，保温时间为2h，升温速率为2～10℃/min；(6)水热法制备多孔硅基氧化钨纳米棒复合结构