[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

说明书

本发明公开基于硅‑氧化钨纳米线异质结构的气敏元件及其制备方法和应用，以金属辅助化学刻蚀法在单晶硅片上刻蚀形成硅纳米线，使用磁控溅射在硅纳米线上沉积钨薄膜材料层并进行一维氧化钨纳米线的结晶生长，形成硅—钨纳米线异质结构的气敏元件，本发明克服以往基于单纯一维多孔硅纳米线的气敏元器件在灵敏度方面的缺点，结合异质结在结构上具有的纳米协同效应和异质结效应，在发展低工作温度以及快速响应恢复的NO₂传感器方面具有非常重要的研究价值与应用前景。

技术领域

本发明属于半导体气敏传感器领域，更加具体地说，涉及基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会经济的发展，我们赖以生存的环境付出了巨大的代价，大量燃料的燃烧、汽车尾气的排放以及工业生产过程产生了大量有毒有害气体，其中NO2的危害不可忽视。NO2造成大气、水体及土壤污染，可以使大气能见度降低，且其是酸雨的成因之一，使水体酸化、富营养化。同时NO2本身毒性可极大地危害人体健康，引起肺水肿等呼吸疾病。因此制备性能优良的NO2气敏传感器、实现对毒性NO2气体的实时有效可靠检测刻不容缓。

在气敏领域，金属氧化物半导体材料，例如WO₃、ZnO、TiO₂、SnO₂、ln₂O₃等具有成本低及灵敏度高的优点，被普遍认为是最有发展应用前景的气敏材料。然而，基于一维结构的半导体氧化物气体传感器工作温度一般大于100度，导致器件功耗较大，寿命较短。气敏元件的结构创新、修饰改性是改善气敏传感器性能的重要途径。大的比表面积，高的表面活性给气敏传感器性能的提升指明了方向。一维有序多孔硅纳米线阵列以及一维氧化钨纳米线阵列本身具有大的比表面积，有利于气体的扩散响应与恢复，此外，一维有序多孔硅纳米线阵列，可在室温下响应NO₂等气体，且制备工艺简单易于集成，只是其灵敏度相对较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件及其制备方法和应用，通过构筑p型硅与n型氧化钨的多级结构引入了异质结结构，极大地提升了敏感元件的性能，同时降低了工作温度。该异质有序多级结构阵列气敏元件与纯氧化钨一维纳米线基气敏元件相比，明显降低了其工作温度以及响应恢复时间，与纯一维多孔硅纳米线基气敏元件相比，明显提高对氮氧化物的响应灵敏度。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

基于硅-氧化钨纳米线异质结构的气敏元件及其制备方法，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，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。

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。

在步骤1中，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，通过化学刻蚀时间的调整以实现硅纳米线长度的调整(随刻蚀时间增加，纳米线长度增加)。

在步骤1中，将经过金属辅助化学刻蚀的硅片用去离子水清洗后放入质量百分数30wt％的硝酸水溶液中10min用于去除硅片表面的杂质，然后在质量百分数5wt％的氢氟酸水溶液中浸泡1min，最后用去离子水清洗。