金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)氣敏材料的制備方法，特別涉及一種多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去的幾十年內(nèi)，偉大的技術(shù)革命不僅促進(jìn)了人類文明的快速發(fā)展，而且提高了人們的生活水平，但是隨著不斷向大氣中排放有毒有害氣體，人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞。NOx氣體就是其中一種，每天向大氣中不停地排放NOx氣體，將對人類的身體健康以及動植物包括水生動植物和陸生動植物造成嚴(yán)重影響。據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)考證，短期暴露于N0x氣體之下，可能會引起呼吸系統(tǒng)疾病，比如會使健康人群患上氣道炎，使原本有哮喘病的人群加重病情。而如果長期暴露于^,氣體之下，則可能導(dǎo)致人群患上肺水腫甚至死亡。在加熱或陽光下，氮氧化物氣體將會與氨氣、水分子、碳?xì)浠衔镆约捌渌衔锓磻?yīng)形成微小粒子，穿透進(jìn)入肺部從而引起或惡化肺氣腫以及支氣管炎等呼吸系統(tǒng)疾病，甚至加重心臟病。在城市地區(qū)，氮氧化物的主要釋放來源分別是化石燃料的燃燒、能源生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)确矫?。為了能夠?qū)崟r而有效地監(jiān)測有毒有害氣體保護(hù)人類生存環(huán)境，我們急需一種可以探測氣體種類以及濃度的氣敏傳感器。
[0003]納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物氣敏傳感器因其低功耗、高性能而得到了廣大學(xué)術(shù)界以及工商界的關(guān)注。其中，氧化鎢是一種寬禁帶的N型金屬氧化物半導(dǎo)體，已經(jīng)有報道提到它對顯、顯2等氮氧化物氣體的檢測有很好的選擇性與靈敏度。然而和大多數(shù)金屬氧化物半導(dǎo)體類似，氧化鎢的工作溫度較高，這極大地增加了傳感器的功耗。此外，基于氧化鎢的氣體傳感器仍普遍存在反應(yīng)時間長、氣體選擇性差等氣敏特性問題，這對氣體傳感技術(shù)的微型化、集成化發(fā)展增加了許多復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。為此科技人員一直致力于降低氣敏材料工作溫度的研宄。研宄表明，一維氧化鎢納米結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積、表面活性以及較強(qiáng)的氣體吸附能力，從而能加快氣體之間的反應(yīng)，在進(jìn)一步提高靈敏度的同時有效的較低工作溫度。
[0004]硅基多孔硅是一種在硅片表面形成孔徑尺寸、孔道深度以及孔隙率可調(diào)的極具潛力的新型氣敏材料。此外，因制作工藝易與微電子工藝技術(shù)兼容，硅基多孔硅成為最具吸引力的研宄領(lǐng)域之一。其特殊的微觀結(jié)構(gòu)可獲得巨大的比表面積，并且可以為氣體的擴(kuò)散提供有效通道，使其具有良好的氣敏性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中基于氧化鎢納米結(jié)構(gòu)氣敏材料工作溫度較高的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007].一種金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)硅基片的清洗
[0009]將P型單面拋光的單晶硅基片放入濃硫酸與過氧化氫的混合液中浸泡30?50min，隨后置于氫氟酸與去離子水的混合液中浸泡20?40min，然后分別在丙酮和乙醇中超聲清洗10?20min，以除去硅基片表面的油污、有機(jī)物雜質(zhì)和表面氧化層，最后將硅基片放入無水乙醇中備用；
[0010](2)制備多孔硅
[0011]采用雙槽電化學(xué)腐蝕法在步驟(I)的單晶硅片的拋光表面制備多孔硅層，所用電解液由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸和質(zhì)量濃度為40%二甲基甲酰胺組成，體積比為1:2，在室溫且不借助光照的環(huán)境下通過改變電流密度和腐蝕時間改變多孔硅的平均孔徑和厚度，施加的電流密度為50?80mA/cm2，腐蝕時間為5?1min ；
[0012]⑶金摻雜
[0013]將步驟(2)制備的多孔硅進(jìn)行金濺射，在多孔硅表面沉積金薄膜；
[0014](4)制備種子溶液
[0015]將鎢酸鈉溶于10ml的去離子水中，利用磁力攪拌機(jī)使之全部溶解，隨后逐滴加入稀鹽酸，直至不再產(chǎn)生白色沉淀，然后將混合液靜置I?3h，將上層清液倒掉后再利用低速離心機(jī)離心底層的沉淀，再將沉淀溶入過氧化氫中形成濃度為0.5?IM的黃色透明的種子溶液；
[0016](5)制備種子層
[0017]將步驟(4)中制備的種子溶液旋涂于步驟(3)中所制備的金摻雜的多孔硅上，然后置于馬弗爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為600?700°C，保溫時間為2h，升溫速率為2?10C /min ； (6)水熱法制備多孔娃基氧化鶴納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)
[0018]首先配置反應(yīng)液，稱取4.13?8.25g鎢酸鈉，利用磁力攪拌機(jī)將其全部溶解于25ml的去離子水中，再利用稀鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH值，隨后將上述溶液稀釋至250ml，再加入適量的草酸調(diào)節(jié)溶液pH值，接著移取60ml配置好的反應(yīng)液至10ml水熱反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，并加入0.45?0.9g的NaCl，然后將(5)中附著有種子層的多孔硅襯底插在樣品架上水平騰空置于內(nèi)襯中，最后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中于180°C恒溫反應(yīng)2h ;
[0019](7)水熱反應(yīng)后多孔硅基片的清洗
[0020]將步驟(6)中水熱反應(yīng)后的多孔硅基片反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在60?80°C的真空干燥箱中干燥8?1h。
[0021]所述步驟(I)的P型單面拋光的單晶硅片的電阻率為10?15Ω.cm，厚度為300?400 μ m，晶向?yàn)?100)，硅基片襯底的尺寸為2.1?2.4cmX0.8?0.9cm0
[0022]所述步驟⑵制備的多孔硅的平均孔徑為1.3?1.8 μ m，平均厚度為15?20 μ m。
[0023]所述步驟(3)采用SBC-12小型離子濺射儀質(zhì)量純度99.99%的金靶材進(jìn)行金濺射，工作壓強(qiáng)為5?6Pa，濺射時間為10?60s。
[0024]所述步驟(6)先用稀鹽酸將溶液pH值調(diào)至1.5?2.0，再利用草酸將稀釋后的溶液的pH調(diào)至1.0?3.0。
[0025]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，具有巨大的比表面積和氣體擴(kuò)散通道以及較大的表面活性，可提供大量的吸附位置和擴(kuò)散通道，從而有利于克服基于氧化鎢納米結(jié)構(gòu)氣敏材料工作溫度較高的缺陷，在提高氣敏傳感器的氣敏性能方面具有重要的研宄價值。該方法具有設(shè)備簡單、操作方便、可重復(fù)性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時這一材料將在降低氣敏傳感器工作溫度、提高傳感器的靈敏度方面提供很大的研宄空間。
【附圖說明】
[0026]圖1是實(shí)施例1所制備的多孔娃表面掃描電子顯微鏡照片；
[0027]圖2是實(shí)施例1所制備的多孔硅斷面掃描電子顯微鏡照片；
[0028]圖3是實(shí)施例1所制備的金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面掃描電子顯微鏡照片；
[0029]圖4是實(shí)施例1所制備的金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的高倍掃描電子顯微鏡照片；
[0030]圖5是實(shí)施例2所制備的多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面掃描電子顯微鏡照片；
[0031]圖6是實(shí)施例3所制備的金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面掃描電子顯微鏡照片；
[0032]圖7是實(shí)施例4所制備的金摻雜多孔硅基氧化鎢納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0034]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純試劑。
[0035]實(shí)施例1
[0036](I)硅基片的清洗
[0037]將2寸P型電阻率為10?15 Ω.cm，厚度為400 μm，晶向?yàn)?100)的單面拋光的單晶硅基片，切割成尺寸為2.4cmX0.8cm的矩形硅基底，