CN109200748A - 一种高灵敏度有毒气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度有毒气体传感器及其制备方法，属于物理检测技术领域。本发明的传感器利用了二维材料的边缘吸附效果明显优于表面这一特性，将二维过渡金属硫/硒化物层设计为多层垂直排列结构，使得其最低检测限可达0.01ppm；本发明的制备方法攻克了制备多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物的技术难点，为有毒气体探测领域提供了新的思路。

Description

一种高灵敏度有毒气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高灵敏度有毒气体传感器及其制备方法，属于物理检测技术领域。
背景技术
一氧化氮、二氧化氮、氨气等有毒气体是形成酸雨的主要原因之一，对人和环境都造成了严重的危害。当空气中的二氧化氮浓度超过53ppb时，儿童引发严重的呼吸道疾病的概率将大大增加。因此，快速且准确地探测到这些有害气体对人们的健康生活、工业生产以及农业监管等领域都是至关重要的。
现在，针对一氧化氮、二氧化氮等有毒气体，已经开发了采用二维材料制备的有毒气体传感器，其利用气体分子会通过物理吸附(范德华力)作用吸附在二维材料的表面的特性以及部分气体分子能够调控二维材料电学性能的特性，配合测量电流的方法来实现特定气体分子的探测。此种采用二维材料制备的有毒气体传感器能够在室温条件下直接地对有害气体进行探测，且具有操作简单、易便携等优点。
但是，现有的采用二维材料制备的有毒气体传感器通常采用的是水平排列结构的二维材料，由于水平结构二维材料表面没有悬挂键，悬挂键只存在于二维材料的边缘区域，气体分子与其相互作用主要依靠范德华力，范德华力的作用效果较弱，使得其在探测灵敏度、探测极限等方面要低于垂直结构的气体传感器。
目前，有毒气体传感器常使用的二维材料，如：二维过渡金属硫/硒化物等，已经被证实能够有效地探测一氧化氮、二氧化氮以及氨气气体，我们可根据二维过渡金属硫/硒化物的这一特性，优化有毒气体传感器的灵敏度、准确度以及最低检测限。
然而，由于现有技术难以制备出垂直排列结构的二维材料层，含有垂直排列结构的二维材料层的有毒气体传感器的制备仍需进一步研究，其最终是否能达到优化有毒气体传感器灵敏度、准确度以及最低检测限的效果也仍需进一步验证。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高灵敏度有毒气体传感器及其制备方法。本发明的传感器利用了二维材料的边缘吸附效果明显优于表面这一特性，将二维过渡金属硫/硒化物层设计为多层垂直排列结构，使得其灵敏度以及最低检测限均优于目前的水平结构的同种材料制备而成的气体传感器；本发明的制备方法攻克了制备多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物的技术难点，为有毒气体探测领域提供了新的思路。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种高灵敏度有毒气体传感器，其包含半导体衬底(1)、金属-半导体阻挡层(2)、二维过渡金属硫/硒化物层(3)、金属电极(4)以及金属钝化层(5)；
所述有毒气体包含一氧化氮、二氧化氮以及氨气；
所述二维过渡金属硫/硒化物层(3)由多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物构成；
所述有毒气体传感器中的半导体衬底(1)、金属-半导体阻挡层(2)、二维过渡金属硫/硒化物层(3)、金属电极(4)以及金属钝化层(5)按照从下至上的顺序依次排列铺设。
在本发明的一种实施方式中，所述半导体衬底(1)的材料为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝或尖晶石。
在本发明的一种实施方式中，所述半导体衬底(1)的材料为硅。
在本发明的一种实施方式中，所述半导体衬底(1)的厚度为200-500nm。
在本发明的一种实施方式中，所述金属-半导体阻挡层(2)的材料为SiO2。
在本发明的一种实施方式中，所述金属-半导体阻挡层(2)的厚度为200-500nm。
在本发明的一种实施方式中，所述二维过渡金属硫/硒化物层(3)由多层垂直排列结构的二硫化钼构成。
在本发明的一种实施方式中，所述二维过渡金属硫/硒化物层(3)的厚度为8-15nm。
在本发明的一种实施方式中，所述金属电极(4)的材料为金(Au)。
在本发明的一种实施方式中，所述金属电极(4)叉指电极或圆电极。
在本发明的一种实施方式中，所述金属电极(4)的厚度为300nm。
在本发明的一种实施方式中，所述金属钝化层(5)的材料为SiO2。
在本发明的一种实施方式中，所述金属钝化层(5)的厚度为100nm。
本地发明提供了上述高灵敏度有毒气体传感器的制备方法，其包含如下步骤：
步骤1：制备半导体衬底(1)，并于半导体衬底(1)上方沉积一定厚度的金属-半导体阻挡层(2)；
步骤2：在步骤1的金属-半导体阻挡层(2)上方电子束蒸发一层金属，并对这层金属进行硫/硒化处理，获得多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物层(3)；
步骤3：在步骤2的二维过渡金属硫/硒化物层(3)上方旋涂光刻胶(6)，并对光刻胶(6)进行光刻获得模板，再通过模板对二维过渡金属硫/硒化物层(3)进行刻蚀，获得具有一定形状的二维过渡金属硫/硒化物层(3)；
步骤4：清除步骤3的残余光刻胶(6)，在具有一定形状的二维过渡金属硫/硒化物层(3)上方沉积金属电极(4)；
步骤5：在步骤4的金属电极(4)上方沉积一定厚度的金属钝化层(5)，获得具有高灵敏度有毒气体传感器。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤2需控制获得多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物层(3)的反应区温度为770℃，对硫粉的加热温度为220℃。
本发明提供了一种有毒气体检测装置，其特征在于，所述有毒气体探测装置包含上述高灵敏度有毒气体传感器。
本发明提供了上述高灵敏度有毒气体传感器或上述高灵敏度有毒气体传感器的制备方法制备得到的有毒气体传感器或上述有毒气体探测装置在气体检测方面的应用。
有益效果：
(1)本发明的传感器利用了二维材料的边缘吸附效果明显优于表面这一特性，将二维过渡金属硫/硒化物层设计为多层垂直排列结构，使得其灵敏度以及最低检测限均优于目前的水平结构的同种材料制备而成的气体传感器；
(2)本发明传感器的最低检测限可达0.01ppm；
(3)本发明提供的制备方法通过硫/硒化处理的技术手段，攻克了，获得多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物的技术难点，为有毒气体探测领域提供了新的思路；
(4)本发明提供的有毒气体传感器具有操作简单、易便携等有点，同时，其能够在室温条件下直接地对有害气体进行探测。
附图说明
图1为本发明有毒气体传感器的正视图；
图2为本发明有毒气体传感器的俯视图；
图3为本发明有毒气体传感器垂直结构MoS2的电镜图；
图4为传统有毒气体传感器水平结构MoS2的电镜图；
其中，1半导体衬底、2金属-半导体阻挡层、3二维过渡金属硫/硒化物层、4金属电极以及5金属钝化层。
具体实施方式
下面以一氧化氮、二氧化氮、氨气三种有毒气体为例，结合附图与实施例对本发明进行进一步的阐述。
如图1-2，本发明的高灵敏度有毒气体传感器包含半导体衬底1、金属-半导体阻挡层2、二维过渡金属硫/硒化物层3、金属电极4以及金属钝化层5；
所述有毒气体包含一氧化氮、二氧化氮以及氨气；
所述二维过渡金属硫/硒化物层3由多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物构成；
所述有毒气体传感器中的半导体衬底1、金属-半导体阻挡层2、二维过渡金属硫/硒化物层3、金属电极4以及金属钝化层5按照从下至上的顺序依次排列铺设。
作为优选，所述半导体衬底1的材料为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝或尖晶石。
作为优选，所述半导体衬底1的材料为硅。
作为优选，所述半导体衬底1的厚度为200-500nm。
作为优选，所述金属-半导体阻挡层2的材料为SiO2。
作为优选，所述金属-半导体阻挡层2的厚度为200-500nm。
作为优选，所述二维过渡金属硫/硒化物层3由多层垂直排列结构的二硫化钼构成。
作为优选，所述二维过渡金属硫/硒化物层3的厚度为8-15nm。
作为优选，所述金属电极4的材料为金(Au)。
作为优选，所述金属电极4叉指电极或圆电极。
作为优选，所述金属电极4的厚度为300nm。
作为优选，所述金属钝化层5的材料为SiO2。
作为优选，所述金属钝化层5的厚度为100nm。
下述实施例中涉及的检测方法如下：
最低检测限检测方法：在本发明的有毒气体传感器电极两端搭好探针，并将其置于密闭容器中，通过流量计控制密闭容器中的气体浓度，然后先将浓度为0.10ppm的一氧化氮、二氧化氮、氨气通入密闭容器，气体在密闭容器中的时间保持10分钟，在探针两端施加电压，检测通过本发明的气体传感器的电流；若能检测到，则分别将浓度为0ppm、0.01ppm、0.02ppm、0.03ppm、0.04ppm、0.05ppm、0.06ppm、0.07ppm、0.08ppm、0.09ppm的一氧化氮、二氧化氮、氨气通入密闭容器，在探针两端施加电压，检测通过本发明的气体传感器的电流；
若不能检测到，则将浓度为1.0ppm的一氧化氮、二氧化氮、氨气通入密闭容器，气体在密闭容器中的时间保持10分钟，在探针两端施加电压，检测通过本发明的气体传感器的电流；若能检测到，则分别将浓度为0.20ppm、0.30ppm、0.40ppm、0.50ppm、0.60ppm、0.70ppm、0.80ppm、0.90ppm的一氧化氮、二氧化氮、氨气通入密闭容器，在探针两端施加电压，检测通过本发明的气体传感器的电流；
若不能检测到，则将浓度为10.0ppm的一氧化氮、二氧化氮、氨气通入密闭容器，气体在密闭容器中的时间保持10分钟，在探针两端施加电压，检测通过本发明的气体传感器的电流；若能检测到，则分别将浓度为2.0ppm、3.0ppm、4.0ppm、5.0ppm、6.0ppm、7.0ppm、8.0ppm、9.0ppm的一氧化氮、二氧化氮、氨气通入密闭容器，在探针两端施加电压，检测通过本发明的气体传感器的电流；
以此类推，直至得到准确的检测极限。
实施例1：高灵敏度的有毒气体传感器的制备
制备步骤如下：
步骤1：将硅制备成厚度为500μm的硅片作为半导体衬底，并于硅片上方沉积厚度为200μm的SiO2阻挡层；
步骤2：在步骤1的SiO2阻挡层上方用电子束蒸发一层厚度为10nm的金属钼，并对这层金属钼进行硫化处理，获得厚度为15nm左右的的多层垂直排列结构的二硫化钼层(硫化处理时，控制反应区温度为770℃，对硫粉的加热温度为220℃)；
步骤3：在步骤2的二硫化钼层上方旋涂光刻胶，并对光刻胶进行光刻获得模板，再通过模板对二硫化钼层进行刻蚀，获得具有一定形状的二硫化钼层；
步骤4：清除步骤3的残余光刻胶，在具有一定形状的二硫化钼层上方沉积厚度为300nm的Au电极；
步骤5：在步骤4的Au电极上方沉积厚度为100nm的SiO2钝化层，获得具有高灵敏度的有毒气体传感器。
将得到的有毒气体传感器在电镜下进行观察(如图3)并进行灵敏度与最低检测限检测。(结果见表1)
表1最低检测限结果
最低检测限
NO 0.1ppm
NO<sub>2</sub> 0.1ppm
NH<sub>3</sub> 0.2ppm
对比例1：传统有毒气体传感器的制备(CVD法)
制备步骤如下：
步骤1：将硅制备成厚度为500μm的硅片作为半导体衬底，并于硅片上方沉积厚度为200μm的SiO2阻挡层；
步骤2：将装有硫粉的陶瓷舟放入管式炉的上游，装有三氧化钼的陶瓷舟放入管式炉的下游，将步骤1的SiO2阻挡层放在装有三氧化钼的陶瓷舟的旁边，在反应前一个小时先通入Ar(70sccm)作为保护气体，然后将管式炉的上游和下游同时加热，上游以2.7℃/min的速度加热至160℃，下游以10.7℃/min的速度加热至650℃，获得10nm左右的多层水平排列结构的二硫化钼层；
步骤3：在步骤2的二硫化钼层上方旋涂光刻胶，并对光刻胶进行光刻获得模板，再通过模板对二硫化钼层进行刻蚀，获得具有一定形状的二硫化钼层；
步骤4：清除步骤3的残余光刻胶，在具有一定形状的二硫化钼层上方沉积厚度为300nm的Au电极；
步骤5：在步骤4的Au电极上方沉积厚度为100nm的SiO2钝化层，获得具有高灵敏度的有毒气体传感器。
将得到的有毒气体传感器在电镜下进行观察(如图4)并进行灵敏度与最低检测限检测。(结果见表2)
表2最低检测限结果
最低检测限
NO 0.5ppm
NO<sub>2</sub> 0.8ppm
NH<sub>3</sub> 1ppm
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述有毒气体传感器包含半导体衬底(1)、金属-半导体阻挡层(2)、二维过渡金属硫/硒化物层(3)、金属电极(4)以及金属钝化层(5)；
所述有毒气体包含一氧化氮、二氧化氮以及氨气；
所述二维过渡金属硫/硒化物层(3)由多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物构成；
所述有毒气体传感器中的半导体衬底(1)、金属-半导体阻挡层(2)、二维过渡金属硫/硒化物层(3)、金属电极(4)以及金属钝化层(5)按照从下至上的顺序依次排列铺设。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述半导体衬底(1)的材料为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝或尖晶石。
3.如权利要求1或2所述的一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述半导体衬底(1)的材料为硅。
4.如权利要求1-3任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述金属-半导体阻挡层(2)的材料为SiO2。
5.如权利要求1-4任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述二维过渡金属硫/硒化物层(3)由多层垂直排列结构的二硫化钼构成。
6.如权利要求1-5任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述金属电极(4)的材料为金(Au)。
7.如权利要求1-6任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器，其特征在于，所述金属钝化层(5)的材料为SiO2。
8.如权利要求1-7任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1：制备半导体衬底(1)，并于半导体衬底(1)上方沉积一定厚度的金属-半导体阻挡层(2)；
步骤2：在步骤1的金属-半导体阻挡层(2)上方电子束蒸发一层金属，并对这层金属进行硫/硒化处理，获得多层垂直排列结构的二维过渡金属硫/硒化物层(3)；
步骤3：在步骤2的二维过渡金属硫/硒化物层(3)上方旋涂光刻胶(6)，并对光刻胶(6)进行光刻获得模板，再通过模板对二维过渡金属硫/硒化物层(3)进行刻蚀，获得具有一定形状的二维过渡金属硫/硒化物层(3)；
步骤4：清除步骤3的残余光刻胶(6)，在具有一定形状的二维过渡金属硫/硒化物层(3)上方沉积金属电极(4)；
步骤5：在步骤4的金属电极(4)上方沉积一定厚度的金属钝化层(5)，获得一种高灵敏度有毒气体传感器。
9.一种有毒气体检测装置，其特征在于，所述有毒气体探测装置包含权利要求1-7任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器。
10.权利要求1-7任一所述的一种高灵敏度有毒气体传感器或权利要求8所述的一种高灵敏度有毒气体传感器的制备方法制备得到的有毒气体传感器或权利要求9所述的一种有毒气体探测装置在气体检测方面的应用。
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