一种紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器及其制备与应用制造技术

本发明专利技术涉及一种紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器及其制备与应用

【技术实现步骤摘要】
一种紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器及其制备与应用


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，尤其是涉及一种紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器及其制备与应用
。

技术介绍

[0002]一氧化二氮
(N2O)
是一种温室气体，其使全球变暖的潜力
(GWP)
是二氧化碳的
265
倍，该气体主要来自于土壤和海洋中各种氮细菌转化过程的自然排放以及废水处理
、
生物质和生物燃料的燃烧等人为活动
。N2O
在平流层中可以变成
NO
和
NO2气体，
NO
在空气中很容易被氧化成
NO2，而
NO2气体的光解反应可以引发另一种温室气体
O3的形成，因此
N2O
和
NO2两种气体都对全球变暖有着不利的影响
。
据统计，虽然大气中
N2O
的浓度要远低于
NO2，但由于
N2O
可以被氧化成
NO2，因此由
N2O
气体带来的温室效应在很大程度上则被人们忽略
。
对
NO2和
N2O
气体的甄别分析将有助于监控温室气体
(GHG)
的排放从而实现全球碳核查目标
。
此外，对
NO2和
N2O
气体的高效检测也将有助于更好地了解氮的转化途径和地球化学过程，以全面控制二氧化氮和一氧化二氮气体的排放
。
[0003]现有用于氮氧化物气体检测的各种光学和电化学的分析方法，通常需要昂贵的设备和复杂的操作
、
较长的检测时间
、
相对较低的灵敏度并且难以满足检出限的分析要求
。NO2和
N2O
气体均可作为氨氧化的副产物或中间体被释放到大气中，由于二者具有相似的密度
、
溶解度
、
氧化性以及原子总数和类型，很少有气体分析方法或传感器能够对其进行有效的区分
。
因此，开发一种在室温下对
NO2和
N2O
气体具有高灵敏度
、
高选择性和快速响应的高效检测方法势在必行
。
[0004]近年来，基于场效应晶体管
(FET)
的传感器因其高度符合环境空气质量标准
(GB3095
‑
2012、HJ633
‑
2012)
中对
NO
x
的检测要求而备受关注
。FET
气体传感器的性能主要取决于沟道材料，其传感的机制是气体吸附过程前后器件半导体沟道的电导率发生变化，赋予了
FET
传感器快速的响应速度
(
检测时间为秒级
)
和出色的灵敏度
。
当前，石墨烯，
MoS2，黑磷，
Ti3C2T
x
等二维
(2D)
纳米材料，作为半导体沟道材料已经被应用于
FET
气体传感器中
。
中国专利申请
CN110186979A
公开了一种应用于高灵敏度气体传感器的场效应晶体管，该场效应晶体管使用少量黑色磷
(BP)
，氮化硼
(BN)
和二锑化钨
(WSe2)
分别作为顶栅，介电层和导电通道
。
在此结构中，顶栅由具有优异的气体吸附能力的
BP
作为传感材料，但是该气体传感器并没有对氮氧化物进行甄别分析
。
同时，这些材料在检测目标气体时抗干扰性较差，在复杂多变的大气环境中难以准确应用，限制了
FET
传感器在气体检测中的发展，难以扫除实际应用中对
NO
x
进行区分检测的障碍
。
[0005]中国专利
CN112758918A
公开了一种紫磷
/
石墨烯复合材料传感器，实现了紫磷作为气敏材料对一氧化碳
、
一氧化氮的检测应用；但是该专利技术公开的气体传感器灵敏度较低：对
500ppm
的
NO
和
CO
的响应仅达到
20
‑
25
％的水平
(
每
ppm
气体仅有
0.04
‑
0.05
％的响应
)
；而且传感器的抗干扰性未能确认，仅在单独几个气体中进行测试，同时需要
UV
或
UV
‑
vis
‑
IR
光照才能实现气体解吸过程，不利于实际大气环境的检测应用
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备简便
、
检测灵敏
、
选择性好
、
抗干扰性强的基于二维紫磷纳米片的场效应晶体管气体传感器及其制备与应用，用于解决现有气体检测装置难以实现对氮氧化物进行甄别分析的问题
。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]紫磷是一种具有半导体特性的二维纳米材料，因其具有比黑磷更大的带宽
、
更高的空穴迁移率和更好的热稳定性，在
FET
气体传感器领域具有广泛的应用前景
。
利用紫磷对二氧化氮的强吸附作用，该传感器在二氧化氮宽浓度范围内的准确检测和在氮氧化物的甄别分析上具有独特的优势和广泛的发展前景
。
[0009]构思如下：
[0010]在硅晶片上搭载
300nm
厚的二氧化硅层形成光刻基片，在
Si/SiO2基片顶部以光学刻蚀技术形成金叉指电极，用作源漏电极对；
[0011]在金叉指电极区域通过胶带剥离或滴涂方式负载紫磷纳米片层作为沟道材料连通相邻源漏电极对；
[0012]以背栅型场效应晶体管气体传感器形式连接源极
、
漏极和硅栅极，即可实现对二氧化氮在宽浓度范围内的准确检测和对氮氧化物的甄别分析
。
[0013]具体方案如下：
[0014]本专利技术提供一种紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器
。
[0015]该场效应晶体管气体传感器包括由下至上依次设置的硅栅极
、
二氧化硅层
、
叉指电极区，以及紫磷纳米片层；所述的叉指电极区包括以叉指形式分布的源极和
/
或漏极，简单来说，该场效应晶体管气体传感器由两个金叉指电极对接而成，其中一个电极作为源极，另一个电极作为漏极，源极和漏极以叉指形态分布
。
相邻的源极与漏极之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器，包括场效应晶体管，所述场效应晶体管上设有源极
(3)
与漏极
(5)
，其特征在于，该气体传感器还包括紫磷纳米片层
(4)
，所述源极
(3)
与漏极
(5)
之间通过紫磷纳米片层
(4)
电性连接
。2.
一种如权利要求1所述的紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：将二维紫磷块状晶体材料置于胶带上进行反复黏贴剥离，得到少层紫磷纳米片，再将少层紫磷纳米片转移到场效应晶体管的叉指电极区上，即得到基于少层紫磷纳米片的场效应晶体管气体传感器
。3.
根据权利要求2所述的紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，所述反复黏贴的次数为5‑8次
。4.
根据权利要求2所述的紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，所述反复黏贴时，在二维紫磷块状晶体材料滞留的位置手动按压1‑
2min
，静置4‑
6min
后再将胶带缓慢剥离
。5.
根据权利要求2所述的紫磷纳米片场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，所述少层紫磷纳米片厚度为6‑
9nm。6.

【专利技术属性】
技术研发人员：毛舜，杨跃宏，宗博洋，徐齐昆，刘莹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：