一种CuO/Si异质PN结氢气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及氢气传感器技术领域，尤其是涉及一种CuO/Si异质PN结氢气传感器及其制备方法，首先使用飞秒脉冲激光对N型Si片进行处理，可在N型Si片表面诱导出尖锥状纳米结构，不仅提高了传感器的比表面积，而且其周期性规律排列的纳米结构进一步提高了对气体分子的吸附性能；然后，使用磁控溅射的方法在N型Si片的表面制备连续好、结晶度高的P型CuO纳米薄膜；最后，选择适当的电极材料，制备CuO/Si异质PN结氢气传感器。本发明专利技术的制备过程相比于现有技术绿色环保，易于运作和操控，并且所制备得到的PN结型(CuO/Si)氢气传感器可在室温环境下工作，具有优异的传感性能，较高的灵敏度，具有良好的应用前景。好的应用前景。好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种CuO/Si异质PN结氢气传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及氢气传感器
，尤其是涉及一种CuO/Si异质PN结氢气传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在现代生活中，科技的发展与进步离不开各类能源的使用，新能源氢能在如今的能源市场得到了越来越广泛的应用。相对于传统能源来说，氢能有着许多的优势，第一，氢能效率高，并且燃烧产物对环境有着较小的破坏与污染，与太阳能、核能等新型能源一起被应用在了各个领域；第二，电解水等工艺较为成熟，产氢简单、可靠，可满足大规模使用的需求。
[0003]但是，氢气分子小，在生产、存储、运送与安装使用过程中非常容易产生人为或非人为的泄露，并且其颜色透明、没有气味，且着火点相对较低，当其空气浓度在4％
‑
75％之间时，遇到明火就会爆炸，因此在许多场合就需要对氢气进行实时的检测，以保证安全。可见，对氢气的探测和实时报警具有非常重要的意义。
[0004]氧化铜(CuO)是一种常见的气敏材料，在遇到还原性气体((如氢气)时，其表面吸附的O
‑
会与该还原性气体发生反应释放出电子，CuO内部载流子浓度发生变化，造成其电阻(电流)发生改变，若再将其置于空气氛围中，其电阻又会恢复。与此同时，其稳定性良好、无毒、价格低且制备简单，因此其被广泛应用于气体传感领域。然而，单一的CuO灵敏度较低、响应和恢复时间较长、选择性极差，遇到VOCs时也易与其反应，容易造成较大的误差，故在气体传感领域常将其与其他材料组合，形成复合材料。
[0005]硅(Si)是一种被广泛应用于半导体领域的物质，其集成性好，稳定性强，无毒害，且制造工艺成熟，对其进行不同元素的掺杂可以得到不同类型的Si半导体，能够其他半导体形成各式的结组合，这些结组合被广泛应用于气体传感、电子线路等领域。N型Si与P型氧化铜结合形成PN结，能大大提升其对氢气的灵敏度，缩短响应时间和恢复时间，且基于Si本身的性质，使得两者能更易结合到电子器件当中，从而利于集成化。
[0006]P型CuO与N型Si结合形成异质结型氢气传感器时，两者形成PN结，当遇到还原性气体时(例如氢气)，大量的O
‑
与还原性气体氢气结合形成水，并释放出大量的自由电子，造成其内部空间电荷区发生改变，基于此原理可以制作出PN结型氢气传感器。
[0007]PN结型(CuO/Si)氢气传感器具有优异的传感性能，较高的灵敏度、较小的反应和恢复常数，并且Si基更易集成，具有良好的应用前景。
[0008]现有技术中，制备PN结型(CuO/Si)氢气传感器有化学合成、退火沉积等方法。化学方法主要包括氧化法和电化学法，其中，氧化法需要铜盐作为氧化铜的来源，且需要进行有机物氧化等操作，而有机物原料对环境有害，且形成氧化铜过程较为复杂；电化学法需要将金属铜作为电极，用电解的方式，沉积得到CuO薄膜，最后将其与N型Si结合形成PN结型氢气传感器，该方法工艺较为复杂，成本较高，并且难以大规模制备；退火沉积法中需要先将一定厚度的Cu层热包覆于N型Si衬底上，然后将其置于300℃下退火4小时使其氧化，得到异质
结结构，该方法形成的CuO难以成为连续性较好的膜，且Si易于退火环境下被氧化，造成异质结形成不均，传感效果变差。
[0009]有鉴于此，提出本专利技术。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种CuO/Si异质PN结氢气传感器及其制备方法，该制备方法相比于现有技术绿色环保，易于运作和操控，并且所制备得到的PN结型(CuO/Si)氢气传感器可在室温环境下工作，具有优异的传感性能。
[0011]第一方面，本专利技术提供一种CuO/Si异质PN结氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]首先使用飞秒脉冲激光对蒸馏水或去离子水中的N型Si片的表面进行处理，然后将Si片置于氢氟酸中去除表面氧化层，再利用磁控溅射的方法在N型Si片的表面溅射P型CuO纳米薄膜，制备CuO/Si异质PN结氢气传感器。
[0013]在本专利技术CuO/Si异质PN结氢气传感器的制备方法中，首先使用飞秒脉冲激光对蒸馏水中的N型Si片进行处理，以在N型Si片表面诱导出尖峰状微纳米结构，然后，Si片置于氢氟酸中去除表面氧化层，使Si与后续溅射CuO结合更为紧密，随后，使用磁控溅射的方法在N型Si片的表面制备连续好、结晶度高的P型CuO纳米薄膜；最后，选择适当的电极材料，制备CuO/Si异质PN结氢气传感器。该制备方法可匹配大面积制备、满足批量化生产的要求，并且所制备得到的CuO/Si异质PN结氢气传感器可在室温环境下工作，功耗率和兼容性优异。
[0014]作为本技术方案优选地，在使用飞秒脉冲激光处理时，将N型Si片置于蒸馏水或去离子水中，再使用飞秒脉冲激光对N型Si片的表面进行微纳加工，可以在N型Si片的表面诱导产生尖锥状纳米阵列结构，不仅可以提高传感器的比表面积，而且其周期性规律排列的纳米结构也会进一步提高传感器对气体分子的吸附性能，更有利于传感。此外使用蒸馏水或去离子作为介质相比于其他有机溶液介质来说，其不会对样品表面造成污染。
[0015]本专利技术对于飞秒脉冲激光处理时的条件不作严格限定，研究表明，在飞秒脉冲激光处理时，控制加工功率为4.5mW，扫描速度为1.0mm/s，扫描间距为0.02mm，可在N型Si片的表面快速诱导出稳定的尖锥状纳米结构，以实现规模化生产；其中，所述飞秒脉冲激光的中心波长为800nm，重复频率为1kHz。
[0016]本专利技术优选电阻率较大，重掺杂的N型Si片作为传感器衬底，以提高传感器的传感性能、适应电极需求。具体地，所述N型Si片的电阻率为1
‑
3ΩΩcm。
[0017]作为本技术方案优选地，在使用磁控溅射对N型Si片进行处理之前，为使CuO与Si能够紧密结合，对N型Si片进行表面处理，一方面可增加N型Si片表面的活性位点，另一方面可去除表面因飞秒脉冲激光加工残留的SiO2氧化层；优选地，所述表面处理时，将N型Si片置于浓度为10
‑
15％的氢氟酸中保持4
‑
6min。
[0018]本专利技术在磁控溅射处理时，为得到结晶度良好的P型CuO纳米薄膜，可首先通过在载玻片上溅射铜氧化物，通过测量XRD，确定最佳的溅射参数，然后在该参数下，使用Cu靶标在N型Si片衬底的表面溅射P型CuO纳米薄膜。
[0019]研究表明，本专利技术磁控溅射处理时，控制溅射功率为90W，衬底温度为室温，溅射时间为20min，衬底真空度为1.7
×
10
‑3Pa，靶标与衬底的距离为400mm，工作气体为氩气，反应
气体为氧气，其中，氩气与氧气的流量比为20:5，所制备得到的P型CuO纳米薄膜结晶度最高、连续性最好。
[0020]作为本技术方案优选地，在飞秒脉冲激光对N型Si片的表面进行处理之前，对N型Si片进行超声清洗，以除去N型Si片表面的杂质；优选地，所述超声清洗时，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CuO/Si异质PN结氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先使用飞秒脉冲激光对N型Si片的表面进行处理，再利用磁控溅射的方法在N型Si片的表面溅射P型CuO纳米薄膜，制备CuO/Si异质PN结氢气传感器。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用飞秒脉冲激光处理时，将N型Si片置于介质中，使用飞秒脉冲激光对N型Si片的表面进行微纳加工；其中，所述介质为蒸馏水或去离子水。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述飞秒脉冲激光处理时，控制加工功率为4.5mW，扫描速度为1.0mm/s，扫描间距为0.02mm；其中，所述飞秒脉冲激光的中心波长为800nm，重复频率为1kHz。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型Si片的电阻率为1
‑
3ΩΩcm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在使用磁控溅射对N型Si片进行处理之前，对N型Si片进行表面处理；优选地，所述表面处理时，将N型Si片置于浓度为10
‑
15％的氢氟酸中保持4
‑
6mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成云，吴润民，杨海林，黄思迪，杨家豪，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：