專利名稱：碳納米管氣敏傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣敏傳感器及其制備方法，特別涉及一種基于場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu) 的碳納米管氣敏傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種獨特的碳納米結(jié)構(gòu)，可以看作是石墨中的一層或多層碳原子卷曲 成的中空的管狀。碳納米管具有許多獨特的性能，如良好的機械性能、較高的熱穩(wěn)定性、優(yōu) 良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等。因此，自碳納米管1991年被發(fā)現(xiàn)以來，S卩引起了各國科學(xué)家的廣 泛興趣。利用碳納米管制備納米電子器件已經(jīng)成為微納電子器件研究領(lǐng)域中的熱點之一。碳納米管在結(jié)構(gòu)上有分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，在導(dǎo)電性上又可以分為 金屬性和半導(dǎo)體性。典型半導(dǎo)體型的單壁碳納米管直徑約為1-2納米，帶隙約為0.5 0. 65eV，長度一般是幾個微米到幾十個微米，其大的縱橫比使碳納米管幾乎是理想的一維 材料，而且半導(dǎo)體性的單壁碳納米管具有在柵壓控制下優(yōu)良的開關(guān)特性，其轉(zhuǎn)移特性與P 型MOSFET相似，都是以空穴為主要的載流子，源漏電流⑴隨著柵壓(Vg)的增大而迅速減 小并最終關(guān)閉。利用這種具有半導(dǎo)體特性的單壁碳納米管制備場效應(yīng)晶體管有很多傳統(tǒng)晶 體管所不能比擬的優(yōu)點，比如消除了短溝效應(yīng)、器件的響應(yīng)速度快、效率高、通過碳納米管 的電流密度比一般金屬要高出幾個數(shù)量級等。同時，碳納米管具有中空結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，對氣體有很強的吸附能力，吸附 的氣體與碳納米管相互作用而引起宏觀電阻變化，通過測量電阻變化信號可以靈敏快速地 檢測氣體濃度，極其適合制備新一代氣敏傳感器，而且基于場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的碳納米管 氣敏傳感器可以測定在不同柵壓下通過碳納米管的電流與氣體濃度變化的關(guān)系。具有穩(wěn)定 性好、靈敏度高、功耗低和響應(yīng)時間短等優(yōu)點，成為氣敏傳感器研究的熱點之一。盡管基于碳納米管晶體管的氣敏傳感器研究取得了很多的探索，也有了簡單的傳 感器樣品，但是目前碳納米管晶體管氣敏傳感器主要還是利用傳統(tǒng)的微細加工技術(shù)制備， 成本高、污染大，很難實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。因此，這就需要研究出利用低成本、污染小并 可以大規(guī)模制備碳納米管晶體管的技術(shù)。Kim等人提出了利用噴墨打印的方法制備晶片規(guī)模的高靈敏碳納米管氣敏傳感 陣歹Il ( “The spontaneous metal-sitting structure on carbonnanotube arrays
positioned by inkjet printing for wafer-scaleproduction of high sensitive gas sensor units，，，《Sensors andActuators B :Chemical》，2009 $ 135 其月 587 591 M ) 。 i亥 方法的特點是利用噴墨打印技術(shù)將碳納米管溶液打印在硅襯底上，再通過濺射方法在碳納 米管上制備出金屬Pt電極，最后對氣敏傳感器進行封裝。此種方法制備的碳納米管傳感器 避免了常規(guī)工藝中的光刻、電鍍和刻蝕等步驟，簡化了碳納米管氣敏傳感器的制備工藝，但 其缺點在于傳感器穩(wěn)定性相對不足，且靈敏度和選擇性也不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種碳納米管氣敏傳感器，其采用基于場效應(yīng)晶體管 結(jié)構(gòu)的設(shè)計，穩(wěn)定性好，靈敏度和選擇性高，從而克服了現(xiàn)有碳納米管氣敏傳感器的不足。本發(fā)明的一個目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種碳納米管氣敏傳感器，其具有場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，其源極和漏極經(jīng)碳納米 管連接，且所述碳納米管表面吸附有功能化材料。進一步地，所述傳感器包括氧化硅層、單晶硅層和碳納米管，所述氧化硅層疊設(shè)于 單晶硅層上方，所述氧化硅層上端面上設(shè)置平行排列的源極和漏極，所述單晶硅層下端面 上設(shè)置柵極，所述碳納米管兩端分別與源極和漏極相連接，且所述碳納米管表面吸附有功 能化材料。進一步地，所述源極、漏極和柵極采用金屬Au或Pt電極。進一步地，所述功能化材料粒子為導(dǎo)電高分子聚合物或金屬納米粒子，所述導(dǎo) 電高分子聚合物為聚氨基苯磺酸(Poly(m-aminobenzene sulfonic acid)，PABS)、聚苯 胺(polyani line)、聚吡咯(polyp yrrole)、聚噻吩(Polythiophene)、聚乙撐二 氧噻盼 (PEDOT)中的任意一種或兩種以上的組合，所述金屬為Pt、Pd、Au和1 中的任意一種或兩 種以上的組合。本發(fā)明的另一目的在于提出一種制備前述碳納米管氣敏傳感器的方法，其包括以 下步驟Sl 制備單晶硅層和氧化硅層；S2 在氧化硅層上端生成源極和漏極；S3 在碳納米管表面吸附功能化材料，形成功能化碳納米管；S4:將功能化碳納米管分散于溶劑中形成溶液，再將該溶液打印在氧化硅層上，并 使功能化碳納米管兩端分別與源極和漏極連接；S5 在單晶硅層的底端制備出柵極。進一步地，所述的S2步驟中的源極、漏極和柵極為金屬Au或Pt，其制備方法為物 理氣相沉積。進一步地，所述S3步驟具體為將表面具有活性官能團的碳納米管與功能化材料 在溶劑中充分混合反應(yīng)，使功能化材料吸附在碳納米管上。進一步地，所述功能化材料為導(dǎo)電高分子聚合物或金屬納米粒子，所述導(dǎo)電高分 子聚合物選自但不限于聚氨基苯磺酸(Poly(m-aminobenzene sulfonicacid), PABS)、聚 苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)、聚噻盼(Polythiophene)、聚乙撐二氧噻吩 (PEDOT)中的任意一種或兩種以上的組合，所述金屬選自但不限于Pt、Pd、Au和1 中的任 意一種或兩種以上的組合。本發(fā)明的碳納米管場氣敏傳感器采用場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，在檢測時運行更為穩(wěn) 定，且通過以不同的功能化材料修飾碳納米管，還使得本發(fā)明碳納米管場氣敏傳感器可以 對不同的氣體分子進行檢測，如NH3、NO2, H2、H2S, CH4和VOCs等。進一步地，所述的S4步驟中所述溶劑為水、有機溶劑或兩者的組合。進一步地，所述的S4步驟中所述的功能化碳納米管溶液是采用噴墨打印法或氣 溶膠打印法打印在源極和漏極之間的。
進一步地，所述的S5步驟中所述柵極是采用微細加工方法或?qū)щ娔z粘接方法在 單晶硅層上制備的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果在于該碳納米管場氣敏傳感器具有基于效 應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，靈敏度和選擇性高，響應(yīng)時間短，應(yīng)用范圍關(guān)，且其制備工藝簡 單，操作方便，成本低，污染小。


圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例1在實際應(yīng)用中的I-Vg曲線圖；圖3是本發(fā)明實施例1對NH3氣體的測試響應(yīng)圖。
具體實施例方式本發(fā)明碳納米管場氣敏傳感器是基于場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計的，藉此，可令碳 納米管場氣敏傳感器具有更好的運行穩(wěn)定性，同時，該場效應(yīng)晶體管的源極和漏極之間通 過功能化的碳納米管連接，通過改變修飾在碳納米管上的功能化材料的種類，可達成對不 同氣體分子具有高靈敏度和高選擇性的效果，并縮短響應(yīng)時間。優(yōu)選的，本發(fā)明的碳納米管氣敏傳感器包括氧化硅層和單晶硅層，氧化硅層疊設(shè) 于單晶硅層上方，氧化硅層上端面上設(shè)置平行排列的源極和漏極，單晶硅層下端面上設(shè)置 柵極，表面吸附有功能化材料的碳納米管兩端分別與源極和漏極相連接。進一步地，所述源極、漏極和柵極可分別采用金屬Au或Pt電極，但不限于此。進一步地，所述功能化材料采用導(dǎo)電高分子聚合物和/或金屬納米粒子。更進一步地，所述導(dǎo)電高分子聚合物可選用但不限于聚氨基苯磺酸、聚苯胺、聚吡 咯、聚噻吩和聚乙撐二氧噻吩中的至少一種；所述金屬納米粒子可選用但不限于Pt、Pd、Au 和1 納米粒子中的至少一種。前述碳納米管氣敏傳感器的制備方法包括以下步驟Si、通過現(xiàn)有技術(shù)(如傳統(tǒng)的直拉法(CZ法)等)生長形成單晶硅層，而后再通過 傳統(tǒng)的熱氧化方法等在單晶硅層上形成氧化硅層；S2、通過物理氣相沉積(CVD)等方法在氧化硅層的上以金屬Au、Pt或其他常用電 極材料生長形成源極和漏極；S3、將碳納米管與功能化材料于溶劑中充分混合反應(yīng)，令功能化材料吸附到碳納 米管上，形成功能化碳納米管；S4、將功能化碳納米管分散于溶劑中形成溶液，再將該溶液通過噴墨打印或氣溶 膠打印方法打印到氧化硅層上，令功能化碳納米管兩端分別與源極和漏極連接；S5 通過微細加工方法或?qū)щ娔z粘接方法在單晶硅層底端制備出柵極。上述步驟S3中所述碳納米管可以采用經(jīng)過常用的氧化法或其他活化方法等預(yù)先 處理后，表面具有羥基、羧基、巰基等活性官能團的碳納米管，如此，可令功能化材料可通過 化學(xué)鍵合的方式更牢固的連接在碳納米管上。前述的功能化材料與碳納米管可經(jīng)超聲分散或攪拌的方法在溶劑中充分混合。前述的溶劑可采用水、有機溶劑或其組合。其中，有機溶劑優(yōu)選采用醇類溶劑，如乙醇、異丙醇等。當然，也可采用DMF、PMAS等，其具體可根據(jù)功能化材料粒子的性質(zhì)而定。本發(fā)明碳納米管場氣敏傳感器在使用時，只需將傳感器置于目標氣體的環(huán)境之 中，并將常用的相關(guān)測試電路與傳感器上的源極、漏極和柵極連接，通過分析目標氣體前后 器件的電學(xué)性能信號，即可得出碳納米管氣敏傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)時間等性能 參數(shù)。以下結(jié)合附圖及若干較佳實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細說明。實施例1如圖1所示，該碳納米管氣敏傳感器的源極1、漏極2排列于氧化硅層5的上方，碳 納米管3表面吸附有功能化材料4并分別與源極1和漏極2相連，柵極7與單晶硅6底部 相連。所述的源極1、漏極2為金屬Au電極。所述的功能化材料4為導(dǎo)電高分子聚合物 聚氨基苯磺酸(PABS)。上述碳納米管氣敏傳感器是通過如下方法制備的首先通過傳統(tǒng)的直拉法(CZ法)生長形成單晶硅6，再通過熱氧化的方法在單晶硅 6上形成所述的氧化硅層5 ；然后通過物理氣相沉積法在氧化硅層5的上方以金屬Au生成源極1和漏極2 ；其后將聚氨基苯磺酸(PABQ與帶有活性官能團碳納米管分散于水中，通過乙二 酰氯形成中間體，而后PABS與中間體發(fā)生共價反應(yīng)形成PABS與碳納米管的化合物，功能化 材料PABS以共價鍵形式與碳納米管結(jié)合，達到對碳納米管功能化的目的。而后通過噴墨打印的方法將功能化碳納米管溶液打印在金屬源極1和漏極2之 間。最后通過微細加工方法在單晶硅6底部制備出柵極7。參閱圖2系本實施例碳納米管氣敏傳感器在使用時的I-Vg曲線圖。參閱圖3，可見本實施例碳納米管氣敏傳感器對NH3氣具有很高的靈敏度、和很短 的響應(yīng)時間。實施例2本實施例的碳納米管氣敏傳感器結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，但其源極、漏極系采 用Pt電極，吸附在碳納米管上的功能化材料為Au納米粒子。該碳納米管氣敏傳感器的制備方法如下首先通過傳統(tǒng)的直拉法等生長形成單晶硅層，再通過熱氧化的方法在單晶硅層上 形成所述的氧化硅層；然后通過物理氣相沉積法在氧化硅層5上以金屬Pt生成源極和漏極；之后將HAuC14溶液與碳納米管的乙二醇溶液混合，并用超聲分散和攪拌的方法 使兩者充分混合，HAuCl4在一定溫度下被乙二醇置換出Au納米粒子，以物理吸附的方式沉 積于碳納米管表面。其后通過氣溶膠打印的方法，將功能化碳納米管溶液打印在源極和漏極之間；最后通過導(dǎo)電膠粘接方法在單晶硅層底部制備出柵極。本發(fā)明通過對碳納米管進行功能化修飾，制備成適合于打印的高質(zhì)量碳納米管溶 液，并利用相應(yīng)的噴墨打印設(shè)備或氣溶膠打印設(shè)備將功能化碳納米管沉積在氧化硅層襯底上，再與有關(guān)的電極和摻雜的單晶硅襯底構(gòu)成碳納米管場效應(yīng)晶體管氣敏傳感器。利用打 印技術(shù)制備碳納米管場效應(yīng)管氣敏傳感器具有成本低、污染小等特點，且通過對碳納米管 進行功能化修飾，可提高氣敏傳感器的靈敏度、選擇性和響應(yīng)時間等性能。
以上僅是本發(fā)明的較佳應(yīng)用范例，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用 等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均應(yīng)落在本發(fā)明權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管氣敏傳感器，其特征在于，所述傳感器具有場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，其源 極和漏極經(jīng)碳納米管連接，且所述碳納米管表面吸附有功能化材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管氣敏傳感器，其特征在于，所述傳感器包括氧化硅 層、單晶硅層以及碳納米管，所述氧化硅層疊設(shè)于單晶硅層上，所述氧化硅層上端面上設(shè)置 平行排列的源極和漏極，所述單晶硅層下端面上設(shè)置柵極，所述碳納米管兩端分別與源極 和漏極相連接，且所述碳納米管表面吸附有功能化材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳納米管氣敏傳感器，其特征在于，所述源極、漏極和柵 極采用金屬Au或Pt電極；所述功能化材料為導(dǎo)電高分子聚合物或金屬納米粒子，所述導(dǎo)電 高分子聚合物為聚氨基苯磺酸、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙撐二氧噻吩中的任意一種或 兩種以上的組合，所述金屬為Pt、Pd、Au和1 中的任意一種或兩種以上的組合。
4.如權(quán)利要求1所述碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟51制備單晶硅層和氧化硅層；52在氧化硅層上端生成源極和漏極；53在碳納米管表面吸附功能化材料形成功能化碳納米管；54將功能化碳納米管分散于溶劑中形成溶液，再將該溶液打印在氧化硅層上，并使功 能化碳納米管兩端分別與源極和漏極連接；55在單晶硅層底端制備出柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，S2步驟中所 述源極和漏極為采用物理氣相沉積法制備的金屬Au或Pt電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，所述S3步驟 具體為將表面具有活性官能團的碳納米管與功能化材料在溶劑中充分混合反應(yīng)，使功能 化材料吸附在碳納米管上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，所述功 能化材料為導(dǎo)電高分子聚合物或金屬納米粒子，所述導(dǎo)電高分子聚合物為聚氨基苯磺酸、 聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙撐二氧噻吩中的任意一種或兩種以上的組合，所述金屬為Pt、 Pd、Au和1 中的任意一種或兩種以上的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，S4步驟中所 述溶劑為水、有機溶劑或兩者的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，S4步驟中所 述的功能化碳納米管溶液是采用噴墨打印法或氣溶膠打印法打印在源極和漏極之間的。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳納米管氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，S5步驟中所 述柵極是采用微細加工方法或?qū)щ娔z粘接方法在單晶硅層上制備的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管氣敏傳感器及其制備方法。該傳感器具有場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，包括氧化硅層、單晶硅層以及表面吸附有功能化材料的碳納米管，氧化硅層疊設(shè)在單晶硅層上，氧化硅層上端面上設(shè)置平行排列的源極和漏極，單晶硅層下端面上設(shè)置柵極，碳納米管兩端分別與源極和漏極相連接。其制備方法為制備單晶硅層和氧化硅層；在氧化硅層上端生成源極和漏極；在碳納米管表面吸附功能化材料形成功能化碳納米管；將功能化碳納米管分散于溶劑中形成溶液，再將該溶液打印在源極和漏極之間；在單晶硅層底端制備出柵極。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性以及響應(yīng)效率，且其制備工藝簡單，操作方便，成本低，污染小。
文檔編號G01N27/414GK102095769SQ201010563089
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者丁海燕, 劉瑞, 張珽, 王學(xué)文, 費躍 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所