基于p‑n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法技术

本发明专利技术涉及基于p‑n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法。本发明专利技术将单晶硅片Si作为绝缘基体，在绝缘基体正面制备叉指型电极和接线端，分别称取硝酸锌和硝酸铜的混合粉末溶于去离子水或有机溶剂中，搅拌得到均匀溶液作为前驱体，通过非雾化喷嘴送入到由等离子喷枪产生的焰流，经过蒸发、分解、成核、加热和加速，以熔融粒子撞击在叉指型电极正上方制备得到半导体气敏涂层。本发明专利技术克服了过去润滑涂层中存在的因晶粒长大而导致的涂层性能下降和失效等缺陷。本发明专利技术快速制备纳米、多孔结构p‑n异型异质结半导体气敏层，重复性好，可以实现多种p‑n型半导体材料复合，对低浓度NO2的响应具有灵敏度高、响应速度较快等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工程与材料科学
，特别涉及基于p-n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法。
技术介绍
二氧化氮(NO2)是大气污染物中的一种较为常见的，具有污染性和毒性的有害气体，是一种高活性的气态物质，是酸雨和光化学烟雾的主要形成原因。此外，由于NO2气体与水反应的酸化和助燃性，其在工业生产中存在着很大的安全隐患。另外，NO2气体对人体有着非常大的危害。即使人处于NO2氛围中很短的时间，也会损害肺功能，若长时间处于NO2氛围中，则可能导致肺部永久性器质性病变。因此，对NO2气体的监测和监控就显得非常重要。现阶段，金属氧化物基半导体由于具有成本低廉、灵敏度高和响应与恢复速度快等优点，常用为NO2气敏材料。但传统的金属氧化物基半导体通常需要在中高温的条件下才能正常工作，这将会对金属氧化物基半导体的使用起到很大的限制，例如增加功耗、降低其工作安全性等缺点。因此，对于传感器半导体而言，降低其工作温度就显得尤为重要。采用可见光照射是一个代替高温加热的方法。但是对于宽带隙半导体来说，由于其较宽的带隙，可见光并不能使之激发，因此，宽带隙半导体并不能在可见光照射下工作。由于大多数p型半导体为窄带隙半导体，而大多数n型半导体为宽带隙半导体，因此构建由带隙较窄的p型和较宽的n型半导体组成的p-n异型异质结复合物在可见光的照射下能够实现较好的室温响应，较之传统金属氧化物基半导体传感器，p-n异型异质结半导体在界面处由于高能级上的电子和空穴会向低能级转移会形成一个更宽的空间电荷区，致使能带发生弯曲。通入NO2后，空间电荷区变宽，能带弯曲加剧，电子运输通道就变窄，从而实现对NO2气体更好的响应。在本专利技术作出之前，目前已经可以通过水热法和溶胶凝胶法等多步合成等方法制备p-n异型异质结半导体气敏材料，但是这些方法存在合成步骤复杂、合成效率低和重复率低等缺点，例如50mL的水热反应釜只能制备几毫克的粉末，且每次合成出来的材料形貌和颗粒大小也不能保证完全一致，因此急需开发一种替代方法能简单实用地大规模制备p-n异型异质结半导体气敏材料。CN1424779是一种检测二氧化氮的半导体传感器气敏元件的制造方法，该方法采用超声喷雾热解法在已加工好的金电极和氧化钌电阻加热层的石英衬底上制备铟锡氧化物薄膜，而制成的二氧化氮气体传感器气敏元件对0.1ppm至5ppm浓度范围的二氧化氮都表现出良好的气敏特性。CN105092654A是一种基于p-n异质结的自驱动气体传感器，它的结构包括半导体材料形成的基底、形成在基底上的绝缘层和第一金属电极层、形成在绝缘层上的第二金属电极层及形成在第二金属电极层上的单壁碳纳米管薄膜层，其中，所述绝缘层设置至少一个窗口，所述第二金属电极层围绕所述窗口，所述单壁碳纳米管薄膜层填充所述窗口，以与所述基底接触。CN104195499A是一种液料等离子喷涂制备微纳复合结构涂层的方法，该方法包括以下步骤：(1)将溶液盐、悬浮液颗粒加入到溶剂中，得到混悬液；(2)将混悬液通过非雾化喷嘴送入到等离子喷枪产生的焰流中，等离子喷枪产生的焰流喷向预处理后的基体表面，基体上得到复合结构涂层。该方法能够解决或部分解决热障涂层、固体氧化物燃料电池电极涂层、中高温气体传感器气敏层、高温耐磨及润滑涂层中存在的因晶粒长大而导致的涂层性能下降和失效问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服上述缺陷，研制基于p-n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法。本专利技术的技术方案是：基于p-n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法，其主要技术特征在于，包含以下步骤：(1)将单晶硅片Si作为绝缘基体；(2)通过丝网印刷、溅射、蒸镀或喷涂方法在绝缘基体正面制备叉指型电极和接线端；(3)分别称取硝酸锌和硝酸铜的混合粉末溶于去离子水或有机溶剂中，利用磁力搅拌器或其它搅拌装置得到均匀溶液作为前驱体；(4)将所制备得到的溶液前驱体通过非雾化喷嘴送入到由等离子喷枪产生的焰流；(5)前驱体溶液经过蒸发、分解、成核、加热和加速，以熔融粒子撞击在叉指型电极正上方制备得到半导体气敏涂层。所述步骤(1)中的单晶硅片Si是采用氧化铝Al2O3或经过表面氧化处理的。本专利技术的优点和效果在于：第一，运用溶液前驱体等离子喷涂可以直接快速制备纳米、多孔结构p-n异型异质结半导体气敏层，制备过程快速简单且重复性好。第二，p-n异型异质结半导体气敏层可以实现多种p-n型半导体材料复合，并且制备得到的气敏材料对低浓度NO2的响应具有灵敏度高、响应速度较快等优点。相比于专利CN1424779采用超声喷雾热解法制备氧化铟气敏材料，本专利采用的是溶液等离子喷涂制备的气敏材料。相比于专利CN1424779只用于制备氧化铟，本专利可制备的是所有的p-n异型异质结半导体，因此，本专利可制备的气敏材料的种类更多，适用范围更广。相比于专利CN105092654A，本专利采用的p型材料为单壁碳纳米管薄膜，本专利所采用的p型材料为半导体，且相对于专利CN105092654A的多层结构，本专利采用混合溶液作为前驱体，无需CN105092654A所需的复杂合成步骤，此外，本专利的气敏层制备技术操作更加简单，具有沉积速度快、涂层孔隙可控的特点。专利CN104195499A制备的是微纳复合结构涂层，而本专利所制备是纳米复合结构涂层，且专利CN104195499A采用的是悬浮液和溶液混合送料，本专利采用的是混合溶液，使用喷涂原料不一样。另外，本专利所制备的是二氧化氮气敏材料，制备材料种类更为明确，应用更为具体。以下结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述，但不作为对本专利技术的限定。附图说明图1——本专利技术实施例1的CuO@ZnO涂层的扫描电镜示意图。图2——本专利技术实施例1的传感器对NO2气体的响应示意图。具体实施方式本专利技术的技术思路是：为解决纯宽带隙半导体在可见光照射下无响应的难题，提供一种基于p-n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法，目的是克服纯宽带隙半导体不吸收可见光的缺点，通过溶液等离子喷涂制备p-n异型异质结半导体气敏涂层，由于p型半导体大多为窄带隙半导体，因此可极大地扩宽喷涂态涂层的可见光吸收范围，此外，p-n材料间的电子转移也可显著的改善气敏层在室温下的气敏性能。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术的实施例，本领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术所需要的化学原料均可从市场购得，或采用常规方法制得。本专利技术采用的基体为纯氧化铝片或经过氧化处理的单晶硅片，可以从市场购得。本专利技术采用动态配气法测量气敏元件对NO2气体的响应性能，气体总流量为1000mL/min，灵敏度定义为Rg/Ra，其中Rg和Ra为气敏膜在NO2和合成空气气氛下的电阻。实施例1：1.采用氧化铝作为绝缘基体，将30×20×1mm氧化铝薄片依次在去离子水和乙醇中，并辅助以超声，清洗5分钟，80℃烘干备用。2.利用真空镀膜的方法，采用金属掩膜图案，先制备一层铬，厚度0.3μm，用来提高结合强度，然后蒸镀一层0.5μm金，得到叉指型电极。3.分别称取14.87和1.21g晶体状硝酸锌(Zn(NO3)2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于p‑n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)将单晶硅片Si作为绝缘基体；(2)通过丝网印刷、溅射、蒸镀或喷涂方法在绝缘基体正面制备叉指型电极和接线端；(3)分别称取硝酸锌和硝酸铜的混合粉末溶于去离子水或有机溶剂中，利用磁力搅拌器或其它搅拌装置得到均匀溶液作为前驱体；(4)将所制备得到的溶液前驱体通过非雾化喷嘴送入到由等离子喷枪产生的焰流；(5)前驱体溶液经过蒸发、分解、成核、加热和加速，以熔融粒子撞击在叉指型电极正上方制备得到半导体气敏涂层。

【技术特征摘要】
1.基于p-n异型异质结半导体二氧化氮气敏层的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)将单晶硅片Si作为绝缘基体；(2)通过丝网印刷、溅射、蒸镀或喷涂方法在绝缘基体正面制备叉指型电极和接线端；(3)分别称取硝酸锌和硝酸铜的混合粉末溶于去离子水或有机溶剂中，利用磁力搅拌器或其它搅拌装置得到均匀溶液作为前驱体；(4)将所制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，郑兵兵，耿欣，罗一凡，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32