[发明专利]聚吡咯表面修饰一维硅基气敏材料及其制备方法

说明书

本发明公开聚吡咯表面修饰一维硅基气敏材料及其制备方法，利用化学刻蚀和二次化学刻蚀处理单晶硅片，以使单晶硅片表面产生一维硅纳米线阵列并进行二次刻蚀微结构改性处理；将引发剂溶液和吡咯单体溶液先后旋涂在经步骤2处理的单晶硅片，以使在一维硅纳米线阵列中原位引发吡咯聚合成聚吡咯。基于本发明方法，可以使有机物聚吡咯颗粒在硅纳米线表面形成均匀修饰，获得复合改性效果显著的有机物‑一维硅基纳米复合气敏材料，该敏感材料可以实现对NH₃气体在室温下的瞬时检测，并且具有良好的选择性。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，更加具体地说，涉及一种利用各向异性二次刻蚀微结构改性技术构筑聚吡咯均匀表面修饰一维硅基的室温工作气敏材料及其方法。

背景技术

近些年来，由于气体传感器在环境控制和保护、现代工农业产品的制造、反恐怖分子、甚至在疾病诊断等领域的广泛应用，越来越受到人们的深度关注。一维半导体纳米材料由于低维材料的基本性质，以及在纳米器件的潜在研究价值备受关注。比如金属氧化物一维半导体纳米材料广泛应用在气体传感器中。但是由于其与半导体技术不兼容，限制了深层次的发展。硅纳米线是一种新型的一维半导体纳米材料，由于量子限制效应，表现出与本体材料不同的物理性质。单晶硅纳米线具有非常高的比表面积而且具有非常好的表面活性，非常适合制作各种传感器器件，因此近些年来受到了广泛的关注。硅纳米线(SiNWs)制备方法包括：水热法、溶液法、化学气相沉积，金属辅助化学刻蚀法，其中，金属辅助化学刻蚀法刻蚀制备硅纳米线具有制备过程简单，制备成本低廉，适合大规模工业生产的显著优点。硅纳米线应用于气敏传感器领域，其室温敏感能力和材料体系与硅基CMOS高度兼容是其突出的优点，然而，室温下，硅纳米线的响应气体时灵敏度比较低，限制了其在高灵敏度低功耗气体传感器中的应用。改性处理成为硅纳米线基气体传感器走向实际应用的必须步骤。传统的改性处理主要是通过材料形貌改进、表面贵金属修饰以及掺杂等方法实现。随着导电高分子材料的发现以及研究，共轭导电高分子的气敏特性引起了人们的极大兴趣，聚苯胺、聚吡咯以及聚噻吩等共轭导电高分子材料被用于各种气体的检测。其中聚吡咯(PPy)具有导电率高、毒性低、环境稳定性强、生物相容性好、制备简单、价格便宜等众多优点。室温下聚吡咯接触气体时，与气体分子发生有化学变化的强相互作用和无化学变化的弱相互作用，导致自身导电性或其它物理化学性质发生改变。相比无机半导体材料，高分子气敏材料具有可室温检测、加工性好、制备简单、成本低廉等优点，发展十分迅速，目前已成为敏感材料的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供利用各向异性二次刻蚀微结构改性技术构筑聚吡咯均匀表面修饰一维硅基的室温工作气敏材料及其方法，。基于该发明方法，可以使有机物聚吡咯颗粒在硅纳米线表面形成均匀修饰，获得复合改性效果显著的有机物-一维硅基纳米复合气敏材料，该敏感材料可以实现对NH₃气体在室温下的瞬时检测，并且具有良好的选择性。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

聚吡咯表面修饰一维硅基气敏材料及其制备方法，按照下述步骤进行制备：

步骤1，利用化学刻蚀处理单晶硅片，以使单晶硅片表面产生垂直于单晶硅片表面的一维硅纳米线阵列；

步骤2，利用化学刻蚀处理经步骤1处理的单晶硅片，以使一维硅纳米线阵列进行二次刻蚀微结构改性处理；

步骤3，将引发剂溶液和吡咯单体溶液先后旋涂在经步骤2处理的单晶硅片，以使在一维硅纳米线阵列中原位引发吡咯聚合成聚吡咯，形成具有聚吡咯表面修饰一维硅纳米线阵列的单晶硅片，即为聚吡咯表面修饰一维硅基气敏材料。

在上述技术方案中，在具有聚吡咯表面修饰一维硅纳米线阵列的单晶硅片上设置铂电极，并与测试系统相连。