[发明专利]基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件及其制备方法和应用

权利要求书

1.基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件，其特征在于，由单晶硅片、一维硅纳米线阵列、氧化钨纳米线和电极组成，在单晶硅片表面且垂直于单晶硅片表面设置一维硅纳米线阵列，在一维硅纳米线阵列中原位设置氧化钨纳米线，并在一维硅纳米线阵列的表面设置电极，在一维硅纳米线阵列中，硅纳米线的平均长度为10μm—15μm，平均直径为300nm—500nm，作为主干；氧化钨纳米线呈现网状，向各个方向生长，作为支干，平均长度在200—500nm，平均直径为10—30nm。

2.根据权利要求1所述的基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件，其特征在于，单晶硅片为单面抛光p型轻掺杂硅片，晶向为(100)，电阻率为10-15Ω.cm，硅片切割尺寸为20mm×10mm。

3.根据权利要求1所述的基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件，其特征在于，电极两个间距为1-2cm，大小为2mm*2mm的铂电极，并形成电极与硅纳米线阵列的欧姆接触。

4.基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤1，利用第一和第二化学刻蚀溶液处理单晶硅片，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；在步骤1中，第一化学刻蚀溶液为氢氟酸和硝酸银的水溶液，氢氟酸浓度为5-5.5M，硝酸银浓度为0.005-0.008M；第二化学刻蚀溶液为氢氟酸和过氧化氢的水溶液，氢氟酸浓度为5-5.5M，过氧化氢浓度为2-2.5M，单晶硅片依次在第一化学刻蚀溶液和第二化学刻蚀溶液中浸泡以进行金属辅助化学刻蚀；

步骤2，以金属钨作为靶材进行磁控溅射，在生长硅纳米线阵列的单晶硅表面沉积钨薄膜源材料层；在步骤2中，在进行磁控溅射时，惰性气体流量为30—50sccm，溅射工作气压为1—2Pa，溅射功率为80-100W，溅射时间为10-20min；

步骤3，在真空高温管式炉对步骤2中沉积钨薄膜源材料层的单晶硅进行结晶生长氧化钨纳米线，环境气氛为氧气和氩气的混合气体，在氧化钨纳米线生长过程中，控制氧气和氩气流量分别为0.1—0.3sccm和75-80sccm，控制炉内生长压力为140—160Pa，管式炉从室温20—25摄氏度升到600-700℃，升温速率3—5℃/min，在600-700℃保温1—2小时，然后降温0.5—1小时至300-400℃，最后自然冷却到室温20—25摄氏度；

步骤4，在经步骤3处理的生长氧化钨纳米线的硅纳米线阵列表面设置电极。

5.根据权利要求4所述的基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件的制备方法，其特征在于，在步骤1中，通过化学刻蚀时间的调整以实现硅纳米线长度的调整，单晶硅片依次在第一化学刻蚀溶液和第二化学刻蚀溶液中浸泡以进行金属辅助化学刻蚀，在第一化学刻蚀溶液中浸泡时间为1—20min，优选10—20min；在第二化学刻蚀溶液中浸泡时间为30—60min，优选45—60min。

6.根据权利要求4所述的基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件的制备方法，其特征在于，在步骤2中，在进行磁控溅射时，惰性气体流量为40—45sccm，溅射工作气压为1—2Pa，溅射功率为85-90W，溅射时间为15-20min。

7.根据权利要求4所述的基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件的制备方法，其特征在于，在步骤3中，控制氧气和氩气流量分别为0.1sccm和75sccm，控制炉内生长压力为150Pa；管式炉从室温20—25摄氏度升到700℃，升温速率5℃/min，在700℃保温1小时，然后降温1小时至400℃，最后自然冷却到室温20—25摄氏度。

8.根据权利要求4所述的基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件的制备方法，其特征在于，在制备氧化钨纳米线后，将氧化钨纳米线在300-500℃且空气气氛环境下退火1-2小时，以进一步稳定晶向。