專利名稱：一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法，屬于微納加工技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的不斷提高和對環(huán)保的日益重視，利用氣敏傳感器對有毒有害氣體作出快速準確檢測和監(jiān)控成為當前和未來發(fā)展趨勢。到目前為止利用被測氣體在氣敏材料表面吸附時引起其阻值變化來達到檢測目的電阻式氣敏傳感器應(yīng)用最為廣泛。但該種傳感器是由大量晶粒構(gòu)成的多晶薄膜或多晶燒結(jié)體，存在與氣體接觸面積小的缺點，且傳感器本身體積較大、熱絕緣、熱分布、封裝等均存在嚴重問題。納米線/納米帶等一維納米材料具有高比表面積、高活性、高結(jié)晶度的特點使其在氣敏研究中具有巨大的潛在應(yīng)用價值，成為解決上述問題行之有效的途徑之一。但是關(guān)于一維納米材料氣敏性能研究還處于探索性研究階段，穩(wěn)定性、氣體選擇性、室溫下工作以及低成本、高效將一維納米線集成到器件中是當前亟待解決的瓶頸問題。此外，氣敏材料以及與氣體作用的多樣性導(dǎo)致理論發(fā)展一直跟不上氣敏傳感器本身的發(fā)展，因此理論研究仍是該領(lǐng)域的研究重點。文獻報道單根In2O3納米線傳感器在室溫狀態(tài)可以對最低濃度到20p.p.b.的NO2進行探測(參考文獻:D.H.Zhang, Z.Q.Liu,
C.Li, T.Tang, X.L.Liu, S.Han, B.Lei and C.ff.Zhou, Nano Lett.4(2004) 1919-1924.),遠低于國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準53p.p.b.。然而這種基于單根納米線的傳感器制作成本高、可重復(fù)性差、測量信號弱以及長期使用可靠性等方面不理想。納米線薄膜具有更大的比表面積和更多的導(dǎo)電通道，有利于靈敏度提高且易于操縱，缺點是存在大量線之間相互作用，長期使用納米線之間團聚導(dǎo)致這種相互作用發(fā)生變化從而使器件穩(wěn)定性變差。此外，盡管半導(dǎo)體納米線本身電阻很小，但是同納米顆粒薄膜氣敏傳感器一樣，這類材料的氣敏電阻實際上主要由接觸電阻決定(參考文獻:F.H.Ramirez，J.D.Prades,R.J.Diaz, T.Fischer，A.R.Rodriguez, S.Mathur and J.R.Morante, Phys.Chem.Chem.Phys.11(2009) 7105-7110.)，工作時電子從一晶粒/納米線穿過另一晶粒/納米線，吸附氣體引起晶界勢壘高度發(fā)生變化而改變氣敏電阻，這種復(fù)雜的氣敏動力學過程不利于從材料本征氣敏特性方面分析氣敏機理。將氣敏納米線有序排布可以彌補納米線薄膜的不足，2007年Nat.Mater.雜志首次報道了一種有序Si納米線陣列氣敏傳感器，采用微納加工技術(shù)以SOI(silion-on-oxide)為襯底自上而下刻蝕出有序Si納米線陣列，然后借助PDMS膠將制備的納米線陣列轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，該納米線陣列顯示出很高的氣體檢測靈敏度，可以檢測到最低濃度為20p.p.b.的N02有害氣體(參考文獻:M.C.Mcalpine，H.Ahmad,
D.ff.Wang and J.R.Heath, Nat.Mater.6 (2007) 379-384.)，但是該制備技術(shù)受選材所限不能普適于大多數(shù)納米線有序化。其后有研究者采用滾軸印刷法將高取向Ge納米線成功轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，此方法僅適用于準直性好、密度大的納米線陣列(參考文獻:Z.Y.Fan，J.C.Ho，T.Takahashi，R.Yerushalmi，K.Takei，A.C.Ford，Y.L Chueh, andA.Javey, Adv.Mater.21 (2009) 3730-3743.)。納米線有序化排布技術(shù)在眾多研究領(lǐng)域都有很大應(yīng)用價值，受到研究者的廣泛關(guān)注(參考文獻:G.Yu, A.Cao, C.M.Lieber，Nat.Nanotechnol.2 (2007) 372-377.;Ρ.A.Smith, C.D.Nordquist, T.N.Jackson, T.S.Mayer,B.R.Martin, J.Mbindyo and T.E.Mallouk, Appl.Phys.Lett.77 (2000) 1399-1401.；Y.Huang, X.F.Duan, Q.Q.Wei and C.M.Lieber, Sc1.291 (2001) 630-633.；A.Tao,F.Kim, C.Hess, J.Goldberger, R.R.He, Y.G.Sun, Y.N.Xia and P.D.Yang, NanoLett.3 (2003) 1229-1233.)，到目前為止，還沒有很好的有效組裝各種納米線的普適技術(shù)來直接用于氣敏傳感器制作。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的瓶頸問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法，資助項目為:國家自然科學基金青年科學基金項目(N0.61106073)。本發(fā)明將首先采用電子束直寫方法在基片上曝光催化劑陣列結(jié)構(gòu)圖形，然后經(jīng)過顯影定影的基片通過電子束鍍膜方法蒸鍍IOnmAu薄膜并在丙酮中剝離(lift off)后制得生長用金屬催化劑陣列。然后將基片置于端口放有待制備納米線所用金屬源的單口石英舟內(nèi)并一起放入高溫管式爐內(nèi)，通過控制氬氣和氧氣的流量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等參數(shù)可制備形貌、晶型可控的金屬納米線陣列，最后采用電子束曝光方法在納米線陣列上方套刻測試用電極圖形，再結(jié)合lift off工藝制備得所需氣敏元件。該方法普適于借助催化劑生長的納米線。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法，其步驟為:I)在基片上制備一陣列結(jié)構(gòu)圖形；2)在制備有所述陣列結(jié)構(gòu)圖形所述陣列結(jié)構(gòu)的基片上蒸鍍制備一金屬層，然后對所述金屬層進行剝離處理，得到金屬催化劑陣列；3)將制備有所述金屬催化劑陣列的基片和氣敏元件的納米線所需金屬置于反應(yīng)室內(nèi)，制備金屬納米線陣列；4)在所述金屬納米線陣列上方套刻測試用電極，制備所需氣敏元件。進一步的，采用電子束直寫方法在所述基片上制備所述金屬催化劑陣列結(jié)構(gòu)。進一步的，套刻所述測試用電極的方法為:在制備有所述金屬納米線陣列樣品的的基片左下角和右下角分別沉積一金屬標記，然后定位所述金屬納米線陣列相對金屬標記的相對坐標值；然后在所述金屬納米線陣列的納米線兩端套刻所述測試用電極。進一步的，采用電子束鍍膜方法蒸鍍金屬制備所述金屬層。進一步的，制備所述金屬納米線陣列的方法為:將制備有所述金屬催化劑陣列的基片置于端口放有待制備氣敏元件的納米線所用金屬源的單口石英舟內(nèi)，然后將單口石英舟放入高溫管式爐內(nèi)，制備所述金屬納米線陣列。進一步的，所述金屬催化劑陣列結(jié)構(gòu)為線陣列結(jié)構(gòu)，其中，金屬催化劑陣列線間距為20 μ m，通過調(diào)控金屬納米線的生長時間使其生長長度為20 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備的氣敏元件其優(yōu)點為:首先由于納米線本身電阻低，將納米線有序化后，由此構(gòu)成的氣敏元件的氣敏電阻將主要由納米線本身決定,更有利于從材料本征氣敏特性方面分析氣敏機理。
其次有序納米線的兩端被測試電極固定，工作時不會因為納米線團聚而導(dǎo)致氣敏穩(wěn)定性方面產(chǎn)生變化。從制備效率方面講，該方法工藝簡單，優(yōu)于文獻報道的轉(zhuǎn)移方法。從應(yīng)用方面講，通過該方法定向生長納米線后再套刻測試用電極，其納米線與電極之間能形成良好的歐姆接觸，優(yōu)于采用傳統(tǒng)電泳方法制備的氣敏元件，這類元件的納米線與電極之間通常形成肖特基勢壘接觸，不利于后續(xù)的氣敏性能測量和分析。


圖1為本發(fā)明制備流程圖；圖2為金屬催化劑陣列圖；圖3為氧化銦納米線陣列SEM圖；圖4為基于氧化銦納米線陣列的氣敏元件圖。
具體實施例方式本發(fā)明的制備流程如圖1所示，下面參照本發(fā)明的附圖1，更詳細地描述本發(fā)明的最佳實施例。a)在 Si02(500nm)/Si 基片上旋涂 120nm 厚 PMMA(200K，正膠)，前烘溫度 150°C，保溫5min。b)米用電子束曝光系統(tǒng)在基片上直寫線寬/間距(line/space (100nm/20 μ m))陣列結(jié)構(gòu)圖形，陣列線長設(shè)定為600 μ m。曝光參數(shù):電壓10kV，光闌60 μ m,劑量180 μ C/cm2,顯影液MIBK: IPA=I: 3，顯影時間2min，定影液IPA，定影時間30s。c)采用電子束鍍膜方法蒸鍍IOnm厚Au薄膜，然后lift off,制備得金屬催化劑陣列(如圖2所示)。d)將載有金屬催化劑陣列的基片置于基片載體上(通常可選為單口石英舟)，距離石英舟端口(端口處放置直徑為3-4mm的In金屬源)IOcm,然后將石英舟推入已經(jīng)標定溫區(qū)的高溫管式爐內(nèi)，舟端口與最高溫區(qū)的上氣口相平。打開真空泵閥，當基壓小于25Pa時，通入惰性氣體Ar，流量200SCCm，然后由室溫升至1000°C，升溫時間lh，到達設(shè)定溫度后，加入反應(yīng)氣體O2，流量1.5sccm，管內(nèi)壓力9.0X IO1Pa,保溫生長時間2h，反應(yīng)時間結(jié)束后直接將樣品取出，掃描電鏡表征的氧化銦納米線陣列結(jié)果見圖3。e)采用離子束沉積設(shè)備在長有納米線陣列的基片左下角和右下角分別沉積一個10 μ m大小的W金屬標記，精確定位氧化銦納米線陣列相對金屬標記的相對坐標值，然后在基片上旋涂120nm厚PMMA (200K)，前烘溫度150°C，保溫5min。在電子束曝光系統(tǒng)中對制備的金屬納米線進行套刻測試用電極圖形，曝光參數(shù)同步驟b。f)采用電子束鍍膜方法蒸鍍40nm Ti/10nm Au薄膜,然后lift off,制備得氧化銦納米線陣列氣敏元件(如圖4所示)。
權(quán)利要求
1.一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法，其步驟為: 1)在基片上制備一陣列結(jié)構(gòu)圖形； 2)在制備有所述陣列結(jié)構(gòu)圖形的基片上制備一金屬層，然后對所述金屬層進行剝離處理，得到金屬催化劑陣列； 3)將制備有所述金屬催化劑陣列的基片和氣敏元件的納米線所需金屬置于反應(yīng)室內(nèi)，制備金屬納米線陣列； 4)在所述金屬納米線陣列上方套刻測試用電極，制備所需氣敏元件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用電子束直寫方法在所述基片上制備所述金屬催化劑陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于套刻所述測試用電極的方法為:在制備有所述金屬納米線陣列的基片左下角和右下角分別沉積一金屬標記，然后定位所述金屬納米線陣列相對金屬標記的相對坐標值；然后在所述金屬納米線陣列的納米線兩端套刻所述測試用電極。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于采用電子束鍍膜方法蒸鍍金屬制備所述金屬層。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于制備所述金屬納米線陣列的方法為:將制備有所述金屬催化劑陣列的基片置于端口放有待制備氣敏元件的納米線所用金屬源的單口石英舟內(nèi)，然后將單口石英舟放入高溫管式爐內(nèi)，制備所述金屬納米線陣列。
6.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述金屬催化劑陣列為線陣列結(jié)構(gòu)，其中，金屬催化劑陣列間距為20 μ m，通過調(diào)控金屬納米線的生長時間使其生長長度為.20 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于有序納米線陣列的氣敏元件制備方法。本方法為1)在基片上制備一陣列結(jié)構(gòu)圖形；2)在制備有所述陣列結(jié)構(gòu)圖形的基片上制備一金屬層，然后對所述金屬層進行剝離處理，得到金屬催化劑陣列；3)將制備有所述金屬催化劑陣列的基片和氣敏元件的納米線所需金屬置于反應(yīng)室內(nèi)，制備金屬納米線陣列；4)在所述金屬納米線陣列上方套刻測試用電極，制備所需氣敏元件。本發(fā)明的氣敏元件更有利于從材料本征氣敏特性方面分析氣敏機理、穩(wěn)定性高。
文檔編號B81C1/00GK103101877SQ20131003231
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者岳雙林 申請人:北京大學