[发明专利]以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法。

 

背景技术

从1962年青山哲郎等（Seiyama, T.; Kato, A.;  Fujiishi, K.; Nagatani, M. Anal. Chem.  1962,  34, 1502–1503）发现在400℃温度下空气中的活性气体能改变ZnO薄膜的导电性能之后，基于半导体材料的气体传感器开始被广泛研究。由于半导体式气体传感器以其高灵敏度、低成本、长寿命和使用方便等特点，经过几十年的开发，目前可用于气体探测的各种半导体传感器数不胜数。

近年来，气体传感器在微型化、选择性、稳定性、灵敏度、响应时间和使用寿命等方面的要求越来越高，因此新型气体传感器的研究开发也越来越受到重视。一维纳米材料由于其本身较大的比表面积和较好的重复性而倍受人们关注(Comini, E.; Faglia, G.; Sberveglieri, G.; Pan, Z.; Wang, Z. L. Applied Physics Letters 2002,81 (10), 1869)，同时，在操纵微纳结构并用其构筑器件方面，科学家们也取得了可喜的进展(Huang, Y.; Duan, X.; Wei, Q.; Lieber, C. M.. Science 2001,291 (5504), 630-633)，这为基于一维微纳米材料气体传感器的应用提供了可能性。

目前，用于制备气体传感器一维纳米材料，包括有机无机纳米带，纳米线和纳米棒等。与传统薄膜材料相比，这些一维微纳单晶材料，具有很大比表面积和与德拜长度相当的较小横向尺度，这使得材料特性受到表面状态影响的程度大大增强，因而对周围环境的变动也尤为敏感。根据器件构型，一维微纳单晶气体传感器可分为两端器件和三端场效应器件。其中两端器件因为构型简单易于制备而得以广泛研究。三端场效应一维微纳单晶气体传感器在构型上基于场效应晶体管，其特点在于通过微纳单晶的电流除了源漏电极调控之外，还可以由独立的第三端栅极控制。在栅极电压的作用下，材料体内的载流子都被吸引到微纳单晶与绝缘层间的界面，形成仅有几个原子/分子层厚度的导电沟道，器件中的载流子主要通过这一导电沟道实现在源漏电极间的迁移，因而和导电沟道相临的表面相对于微纳晶体的其他表面对器件性能有更大的影响。其次，利用栅极电压的调控能比较方便地确定最佳灵敏度，这比传统的两端器件利用加热来确定最佳工作点要简单易行。另外，场效应晶体管传感器相比于两端器件具有更多的特性参数，如场效应迁移率、阀值电压和亚阈值斜率等，这些参数为气体的探测提供了更多参数，也为气体的选择性探测提供了一定可能性。因此，当前采用一维微纳单晶场效应晶体管结构气体传感器已成为国际研究的热点(Patolsky, F.; Lieber, C. M.,Materials Today 2005,8 (4), 20-28.)( Ramgir, N. S.; Yang, Y.; Zacharias, M., Small 2010,6 (16), 1705-1722.)。 

然而，目前国际上报道的一维微纳单晶场效应气体传感器都是基于固体绝缘层，如前所述，半导体与绝缘层间的解除界面对传感器器件的性能具有至关重要的影响。接触界面上的载流子束缚、电荷掺杂、分子（或原子）重构、偶极子的形成以及一些可能的化学相互作用都能够发生在半导体/绝缘层界面上，从而降低传感器的性能及稳定性。更主要的是固体绝缘层遮蔽了大部分对吸附分子最为敏感的导电沟道界面，影响了场效应气体传感器灵敏度的进一步提高。这些问题限制了场效应一维微纳单晶气体传感器的发展，减缓了器件微型化、纳米化方向发展的脚步。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器及其制备方法。

本发明所提供的空气间隙为绝缘层的场效应一维微纳单晶气体传感器制备方法主要包括如下步骤：

1)    衬底上层为导电材料，本身导电(如重掺杂Si或Si/SiO₂)或是表层具有导电薄膜的绝缘衬底(比如具有金属膜或ITO薄膜的玻璃等)，首先对衬底进行清洗。