專利名稱：一種具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法。
技術(shù)背景酒精氣體傳感器已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、化工、安全等領(lǐng)域。目前，大多數(shù)酒 精氣體傳感器是由金屬氧化物(如鎘、銦、釤的氧化物等)、碳納米管、以及氧化物 與稀有金屬的合成物等制成的。金屬氧化物的制備過程比較復(fù)雜，往往需要經(jīng)過低溫 下溶液反應(yīng)、烘干、中溫煅燒、高溫煅燒、老化等過程，整個(gè)工序需要數(shù)十天的時(shí)間， 并且某些金屬氧化物對(duì)人體有損害(中國(guó)發(fā)明專利98125730.5)。碳納米管傳感器需 要比較先進(jìn)的微加工儀器。而氧化物與稀有金屬的合成物制備條件也比較苛刻，工作 溫度較高[Sens. Actuators B 77(2001)443]。近年來，電導(dǎo)型氣敏傳感器的利用正引起人們的關(guān)注。電導(dǎo)型氣敏傳感器是利用 待測(cè)氣體分子與氣敏材料表面發(fā)生吸附或反應(yīng)而引起電荷的轉(zhuǎn)移(或電荷載體濃度的 變化)，進(jìn)而導(dǎo)致氣敏材料電導(dǎo)率的變化來檢測(cè)待測(cè)氣體分子的存在。人們研究了 ZnO 納米線對(duì)酒精氣體的傳感特性，在300 °C、 1 ppm酒精氣體條件下的靈敏度為1.9， 200 ppm時(shí)的靈敏度為47，遠(yuǎn)優(yōu)于ZnO厚膜，顯示出良好的應(yīng)用前景[Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3654]。人們還研究了 ZnO納米花的氣敏特性，發(fā)現(xiàn)在300 t)時(shí)納米花對(duì)0.5 ppm、 50 ppm和100 ppm酒氣的靈敏度分別為1.6、 11.4和14.6，對(duì)0.5 ppm酒氣的 響應(yīng)時(shí)間為2秒。當(dāng)構(gòu)成納米花的ZnO納米棒直徑減小時(shí)，靈敏度顯著上升[Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 213111]。單壁半導(dǎo)體碳納米管構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管暴露在酒精氣 體中時(shí)，晶體管的漏電流顯著改變[Nano Lett 3(2003)877]。納米氧化物的酒精氣敏性 通常在高溫下有較好的效果，而且基于納米線或納米管的傳感器制備工藝也較復(fù)雜。目前，還沒有采用碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料的電學(xué)特性來探測(cè)酒精氣體的報(bào)道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料及其 制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，以厚度為0.5 1.0毫米的單晶硅片為襯底，用磁控 濺射的方法將純度為99.9%的石墨靶或者將摻雜質(zhì)量含量為0 10%鐵的石墨復(fù)合靶 濺射到拋光的單晶硅基片表面上，形成厚度為20 200納米的薄膜，制成碳薄膜/硅 異質(zhì)結(jié)材料或者摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料。該材料具有明顯的酒精氣體敏感效應(yīng)， 可用于制造電導(dǎo)型氣敏傳感器。該碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料的制備方法是通過以下步驟 實(shí)施-(1) 取純度為99.9%的石墨粉，或者取純度均為99.9%的石墨粉和鐵粉，通過冷 壓的方法，制成含鐵0 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石墨復(fù)合靶。(2) 先用摩爾濃度為20%的氫氟酸溶液浸泡實(shí)驗(yàn)所需的厚度為0.5 1.0毫米的硅 基片5分鐘，然后依次用去離子水、乙醇、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗硅基片5分 鐘。(3) 將清洗好的硅基片放入濺射室，開啟抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。(4) 當(dāng)背景真空為2xl0"帕?xí)r，通入氬氣，并維持2帕的壓強(qiáng)，待氣壓穩(wěn)定后，開始用石墨靶濺射，或者用摻鐵的石墨復(fù)合靶濺射，濺射功率為50瓦，濺射直流電 壓為0.50千伏，濺射時(shí)間為5 50分鐘，濺射溫度為室溫至400。C。(5) 濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度較高的環(huán) 境下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫，取出樣品即可。(6) 這樣制備的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料，或者鐵摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料的薄膜厚 度為20 200納米，具有明顯的酒精氣體敏感效應(yīng)。在200ppm酒精氣氛中，材料的 電阻值在空氣和酒精氣體中相差50%以上。本發(fā)明所提供的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)酒精氣敏材料，對(duì)酒精氣體具有明顯的敏感效 應(yīng)。用它制造的電導(dǎo)型氣敏傳感器對(duì)酒精具有敏感效應(yīng)，能在室溫下工作，制備簡(jiǎn)單， 易實(shí)現(xiàn)器件的微型化、集成化，且靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好。


圖1為依據(jù)本發(fā)明所提供的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)酒精氣敏材料制造的電導(dǎo)型酒精氣 敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為室溫下依據(jù)本發(fā)明制作的電導(dǎo)型酒精氣敏傳感器在200ppm酒精氛圍中， 在酒精氣和空氣中的電流一電壓曲線。該材料的制備參數(shù)沉積溫度為室溫，濺射時(shí) 間為30分鐘，薄膜厚度約為100納米。圖3為在室溫下依據(jù)本發(fā)明所制造的電導(dǎo)型酒精氣敏傳感器在200卯m酒精氛 圍中，電阻對(duì)酒精氣體的敏感性測(cè)試結(jié)果示意圖(測(cè)試電壓為14伏特)。該材料的制 備參數(shù)沉積溫度為室溫，濺射時(shí)間為30分鐘，薄膜厚度約為IOO納米。圖4為在室溫下依據(jù)本發(fā)明所制造的電導(dǎo)型酒精氣敏傳感器在200 ppm酒精氛 圍中，電阻對(duì)酒精氣體的敏感性測(cè)試結(jié)果示意圖(測(cè)試電壓為10伏特)。該材料的制 備參數(shù)沉積溫度為室溫，濺射時(shí)間為20分鐘，薄膜厚度約為80納米。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例1，取純度為99.9%的石墨粉用冷壓法制成純石墨靶。用磁控濺射的方法將 純碳濺射到一塊厚度為1.0毫米的單晶硅基片1上，在單晶硅基片上形成一層厚度約 為100納米的碳薄膜2，在異質(zhì)結(jié)材料上接通直流電源4， 3為電源線與材料的接點(diǎn)， 5為電流表，成為電導(dǎo)型酒精氣敏傳感器，如圖1所示。該異質(zhì)結(jié)材料的制備參數(shù) 濺射直流電壓為0.50千伏，濺射直流電流為O.IO安培，濺射沉積溫度為室溫，濺射 時(shí)間為30分鐘。對(duì)樣品在室溫下的電阻對(duì)酒精氣體和空氣的敏感性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè) 試結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明在酒精氣體濃度為200ppm氛圍中，樣品的電阻比在 空氣中的電阻增加大約50%以上。實(shí)施例2，取純度為99.9%的石墨粉用冷壓法制成純石墨靶。用磁控濺射的方法將 純碳濺射到一塊厚度為1.0毫米的單晶硅基片1上，在單晶硅基片上形成一層厚度約 為80納米的碳薄膜2，在異質(zhì)結(jié)材料上接通直流電源4， 3為電源線與材料的接點(diǎn)，5 為電流表，成為電導(dǎo)型酒精氣敏傳感器，如圖1所示。該異質(zhì)結(jié)材料的制備參數(shù)濺 射直流電壓為0.50千伏，濺射直流電流為0.10安培，濺射沉積溫度為室溫，濺射時(shí) 間為20分鐘。對(duì)樣品在室溫下的電阻對(duì)酒精氣體和空氣的敏感性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試 結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明在酒精氣體濃度為200卯m氛圍中，樣品的電阻比在空 氣中的電阻增加大約50%以上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)酒精氣敏材料所制成的氣敏 傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)①對(duì)酒精氣體具有敏感效應(yīng)。②在室溫下工作，易實(shí)現(xiàn)器件的 微型化、集成化。③具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好、可重復(fù)的特點(diǎn)。④生產(chǎn) 工藝簡(jiǎn)單，成品率高、成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料，其特征是在一塊0.5～1.0毫米厚的拋光單晶硅基片上，濺射一層類金剛石碳薄膜，薄膜的厚度為20～200納米。
2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料，其特 征是所說的類金剛石碳薄膜中可以含有質(zhì)量含量為0 10%的鐵，制成摻雜碳薄膜/ 硅異質(zhì)結(jié)材料。
3. —種具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料的制備方法，包括以下步驟(1) 取純度為99.9%的石墨粉，或者取純度均為99.9%的石墨粉和鐵粉，通過冷 壓的方法，制成含鐵0 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石墨復(fù)合靶；(2) 先用摩爾濃度為20%的氫氟酸溶液浸泡實(shí)驗(yàn)所需的厚度為0.5 1.0毫米的硅 基片5分鐘，然后依次用去離子水、乙醇、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗硅基片5分 鐘；(3) 將清洗好的硅基片放入濺射室，開啟抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空；(4) 當(dāng)背景真空為2xl0"帕?xí)r，通入氬氣，并維持2帕的壓強(qiáng)，待氣壓穩(wěn)定后，開始用石墨靶濺射，或者用摻鐵的石墨復(fù)合靶濺射，濺射功率為50瓦，濺射直流電 壓為0.50千伏，濺射時(shí)間為5 50分鐘，濺射溫度為室溫至400 'C;(5) 濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度較高的環(huán) 境下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫，取出樣品即可。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有酒精氣體敏感效應(yīng)的碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法，該材料是通過磁控濺射的方法，將純度為99.9％的石墨靶或者將含有0～10％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鐵的鐵-石墨復(fù)合靶濺射到拋光的硅基片上，形成一層厚度為20～200納米的薄膜。該碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)新材料具有明顯的酒精氣體敏感效應(yīng)，可以用于制備電導(dǎo)型酒精氣敏傳感器，在室溫下工作，制備簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)器件的微型化、集成化，且靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N33/98GK101334413SQ20081013833
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者嚴(yán)克友, 丹 夏, 群 李, 薛慶忠, 郝蘭眾 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)