一種氣體傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術公開一種氣體傳感器及其制備方法，具有至少一個氣體敏感層，氣體敏感層包括氣體敏感材料薄膜和氣體敏感電極，氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％。進一步的，本發明專利技術還公開基于該氣體傳感器用于檢測一氧化碳氣體的作用，及該傳感器制備方法。本發明專利技術的氣體傳感器提高了氣敏材料與一氧化碳的結合能力，促進氣體分子的吸收，確保了氣體傳感器的穩定性；也提高了氣體傳感器的靈敏度和對一氧化碳氣體的選擇性；且以二維材料黑磷為基礎的氣體傳感器的厚度可以做的很薄。

【技術實現步驟摘要】
一種氣體傳感器及其制備方法
本專利技術涉及一種氣體傳感器，特別涉及一種基于金屬鈷摻雜的黑磷結構的氣體傳感器及其制備方法和應用。
技術介紹
一氧化碳是石油，煤等含碳物質不完全燃燒的產物，隨著世界各國經濟交通的迅速發展，煤和石油的消耗量逐漸增長，一氧化碳的排放量也隨之增多，成為目前環境污染，尤其是城市大氣污染的重要來源之一。同時一氧化碳也是一種人們生活中常見的有毒氣體，這種氣體無色，無嗅，無刺激性，幾乎不溶于水，隨著空氣進入人體后會經過肺泡進入血循環，由于與血紅蛋白的親和力遠大于氧與血紅蛋白，使得血紅蛋白失去了攜氧的能力和作用。隨著一氧化碳的吸入量的增長，與血紅蛋白結合形成的碳氧血紅蛋白的飽和度大大提高。一氧化碳中毒者會出現頭痛，惡心，視網膜出血等癥狀，脈搏呼吸變慢，重度患者會迅速進入昏迷，血壓下降，瞳孔擴大，最后呼吸麻痹衰竭而死亡。暴露于一氧化碳環境中過嚴重損害心臟和中樞神經系統，對孕婦以及兒童造成嚴重危害，并且會產生后遺癥。因此，對一氧化碳氣體的嚴格檢測成為當務之急。黑磷作為具有原子層厚度的新型二維材料，不但具有與石墨烯相同的導電性而且還具有石墨烯不具有的半導體能帶間隙，同時與體材料不同的優異特性，如能帶間隙的可調性，少層黑磷的多電子效應以及高度各向異性使得黑磷在高性能納米電子器件，光學器件，氣體傳感器，能量存儲等方面的應用擁有著廣泛的前景和空間。尤其作為二維材料，非常高的表面積-體積比使得在氣體吸附方面具有非常大的優勢，使之成為理想的氣體吸附材料。但是各項研究表明黑磷對氣體吸附缺乏穩定性并且材料性質不發生明顯變化，使得黑磷材料的氣體傳感器在靈敏度和氣體選擇性方面受到很大的制約，非常不利于氣體吸附和檢測。因此，越來越多的實驗研究不同金屬摻雜少層黑磷，通過提高黑磷的化學活性以及尋求化學反應過程中形成的材料基本性質的變化，從而提高氣體傳感器的靈敏特性。
技術實現思路
本專利技術的公開了一種以金屬鈷元素摻雜的少層黑磷為氣敏材料的氣體傳感器及制備方法，以及這種材料對一氧化碳氣體檢測的應用。本專利技術公開一種氣體傳感器，具有至少一個氣體敏感層，氣體敏感層包括氣體敏感材料薄膜和氣體敏感電極，氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％。進一步的，黑磷材料中紅磷、Sn和SnI4的質量比為50:2:1。進一步的，氣體敏感薄膜是鈷原子在摻雜的少層黑磷結構中的原子數所占比例為2.78％。進一步的，氣體敏感薄膜的厚度為8～10個原子層厚。進一步的，黑磷材料是在真空度小于10-3Pa的條件下，將溫度在8小時內提升至650℃并且保持5小時溫度不變，在7.5小時后冷卻至550℃并且保持6小時溫度不變，最后冷卻至室溫制得。進一步的，氣體敏感電極包括由Ti制備的黏附層和由Au制備的接觸層。進一步的，氣體傳感器還包括半導體襯底、位于半導體襯底上的阻擋層、位于阻擋層上的保護層、位于保護層上的加熱電極、覆蓋在加熱電極及保護層上的絕緣層，絕緣層上開有直接連接加熱電極的連接孔；氣體敏感層位于絕緣層上。進一步的，阻擋層是氮化硅層，保護層是二氧化硅層，加熱電極是多晶硅層，絕緣層是二氧化硅層。本專利技術還公開將上述任意一種氣體傳感器在一氮化碳檢測中應用。本專利技術還公開一種氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：步驟1、采用LPCVD法在清洗干凈的半導體襯底上表面沉積一層低應力氮化硅阻擋層；步驟2、采用LPCVD法在氮化硅層上表面沉積低應力二氧化硅層保護層；步驟3、采用低壓化學氣相淀積法在保護層上表面沉積多晶硅層，通過光刻和濕法刻蝕制得加熱電極；步驟4、采用等離子體化學氣相淀積法在保護層及加熱電極表面沉積二氧化硅絕緣層，并在絕緣層上刻蝕出加熱電極的金屬連接孔；步驟5、制備氣體敏感薄膜層的氣體敏感材料薄膜，所述氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，所述黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％；步驟7、將制備好的氣體敏感層通過Lift-off工藝后置于絕緣層上。進一步的，步驟5依次包括：S51、將質量比為50:2:1的紅磷及錫的碘化物在真空度小于10-3Pa條件下，將溫度在8小時內提升至650℃并且保持5小時溫度不變，在7.5小時后冷卻至550℃并且保持6小時溫度不變，冷卻至室溫后制得黑磷襯底；S52、利用激光分子束外延系統進行金屬鈷元素的沉積擴散；S53、將得到的鈷元素摻雜的黑磷進行高溫退火，退火溫度為900℃，退火時間為0.5小時。與現有技術中相比，具有如下優點：1)本專利技術以鈷元素摻雜黑磷作為氣敏材料特別適應于一氧化碳氣體的檢測，提高了氣敏材料與一氧化碳的結合能，促進氣體分子的吸收，確保了氣體傳感器的穩定性。2)在氣敏材料與一氧化碳氣體結合過程中，能帶性質產生從直接帶隙到間接帶隙的變化，提高了氣體傳感器的靈敏度和對一氧化碳氣體的選擇性。3)以二維材料黑磷為基礎的氣體傳感器的厚度可以做的很薄。4)本專利技術與異質結材料為基礎的氣體傳感器相比，氣敏材料采用的是同一種物質，避免了氣敏材料的晶格失配，簡化了氣體傳感器的工藝步驟。附圖說明圖1為本專利技術一氧化碳氣體傳感器結構的縱向剖視圖；圖2為本專利技術提供的氣敏材料金屬鈷元素摻雜少層黑磷的原子結構的側視圖和俯視圖，其中鈷原子和磷原子用不同的顏色作區分；圖3為鈷元素摻雜少層黑磷結構在吸附一氧化碳氣體前后的能帶結構，其中(a)為吸附一氧化碳氣體前，(b)為吸附一氧化碳氣體后；具體實施方式以下結合附圖來闡明本專利技術的具體實施步驟，需要理解的是這些附圖僅用于對本專利技術的說明，不用于限制本專利技術的范圍。本專利技術所述的氣體傳感器，如圖1所示氣體傳感器結構的縱向剖視圖，主要包括如下幾個部分：單晶硅襯底1；沉積在單晶硅襯底1上表面的氮化硅層2；沉積在氮化硅層2上的氧化硅層3；置于氧化硅層3上的加熱電極4；覆蓋在加熱電極4上作為絕緣層的氮化硅層5；位于氮化硅層5上的加熱電極4的連接孔6；置于氮化硅層5上氣體敏感薄膜7和氣體敏感電極8。其中，作為氣體敏感薄膜7的敏感材料是由金屬鈷元素摻雜的少層黑磷組成，其厚度為1～10個原子層厚，優選8～10個原子層厚；黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的少層黑磷結構中的原子所占比例為2％～10％，優選2.78％；氣體敏感電極8由下層的黏附層金屬Ti和上層的接觸層金屬Au組成；黑磷材料優選質量比為50:2:1的紅磷、Sn和SnI4組成。結合附圖1所示氣體傳感器結構圖，詳細說明本專利技術氣體傳感器的制備方法，步驟如下：步驟1，準備單晶硅襯底1，襯底采用尺寸為6英寸的單晶硅圓片，材料晶向參數為(100)，對單晶硅圓片進行RCA清洗處理，首先將單晶硅圓片浸泡在NH4OH：H2O2：H2O比例為1:4:50混合配制的1號標準清洗液中除去硅刻蝕過程中帶來的顆粒雜質和有機物；然后再將單晶硅圓片浸泡在HCl：H2O2：H2O比例為1:2:8混合配制的2號標準清洗液中去除硅片表面的金屬玷污；最后將硅片表面暴露在氫氟酸(HF)中去除硅片表面的自然氧化層。步驟2，采用LPCVD法在清洗干凈的單晶硅襯底1上表面沉積5本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣體傳感器，其特征在于：具有至少一個氣體敏感層，所述氣體敏感層包括氣體敏感材料薄膜和氣體敏感電極，所述氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，所述黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％。

【技術特征摘要】
1.一種氣體傳感器，其特征在于：具有至少一個氣體敏感層，所述氣體敏感層包括氣體敏感材料薄膜和氣體敏感電極，所述氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，所述黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％。2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于：所述黑磷材料中紅磷、Sn和SnI4的質量比為50:2:1。3.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于：所述氣體敏感薄膜是鈷原子在摻雜的少層黑磷結構中的原子數所占比例為2.78％。4.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于：所述氣體敏感薄膜的厚度為8～10個原子層厚。5.根據權利要求4所述的氣體傳感器，其特征在于：所述黑磷材料是在真空度小于10-3Pa的條件下，將溫度在8小時內提升至650℃并且保持5小時溫度不變，在7.5小時后冷卻至550℃并且保持6小時溫度不變，最后冷卻至室溫制得。6.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于：所述氣體敏感電極包括由Ti制備的黏附層和由Au制備的接觸層。7.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于：還包括半導體襯底、位于半導體襯底上的阻擋層、位于阻擋層上的保護層、位于保護層上的加熱電極、覆蓋在加熱電極及保護層上的絕緣層，絕緣層上開有直接連接加熱電極的連接孔；所述氣體敏感層位于絕緣層上。8.根據權利要求7所述的氣體傳感器，其特征在于：所述阻擋層是氮化硅層，所述保護層是二氧化硅層，所述加熱電極是多晶硅層，所述絕緣層是二氧化硅層。9....

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷雙瑛，欒山，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32