【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器及其制备方法和应用，属于气体传感器。
技术介绍
1、co是大气中数量最多且分布最广的污染物之一，由含碳物质的不完全燃烧生成。因其无色、无味、无臭而更具隐蔽性和危险性。在《国家环境空气质量标准》中规定，对于24h平均时间内co的浓度限制为3.49ppm(gb 3095-2012)。同时，co作为呼气中的无机物分子，是呼气检测的重要生物标志物。能用来评估呼吸系统，心血管系统等疾病相关的状况(science 259(1993)381–384)，但对其相应的检测精度要求也提高至ppb浓度。因此，开发高效的co传感器，特别是能够检测ppb浓度co的超灵敏气体传感器具有重要意义。
2、目前，市场上常用的气体传感器有半导体气体传感器、电化学气体传感器、光探测气体传感器等。半导体气体传感器成本低廉、制造简单，是当前应用最为广泛的一类气体传感器。但半导体气体传感器仅依赖电阻变化率实现对气体的探测，选择性差、灵敏度低，检测下限高(carbon 117(2017)263-270)。电化学气体传感器价格便宜，但测量下限高、测量精度低、使用寿命短(sensors and actuators b 305(2020)no.127541)。可用于ppb浓度co检测的气相色谱-质谱仪(gc–ms)以及量子级联激光器(qcl)均属于光探测气体传感器，具有测量精度高、灵敏度高的显著优势。但价格昂贵且体型庞大，并存在成本高、工艺耗时、需专业人员操作与维护等问题。
3、而随着半导体和微
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器。本专利技术所提供的碳基fet气体传感器能够实现对ppb浓度co精准检测。
2、本专利技术的第二个目的在于提供一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器的制备方法。本专利技术所提供的制备方法，通过溶胶凝胶法在低温下制备sno2敏感材料。
3、本专利技术的第三个目的在于提供一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器的应用。
4、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
5、本专利技术一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器，所述碳基fet气体传感器，由fet传感器基底与位于fet传感器基底上方的sno2敏感材料层构成，所述fet传感器基底依次包含硅基底，位于硅基底上方由碳纳米管构成的沟道层，位于沟道层上方的介电层，位于介电层两侧的源极与漏极组成，所述sno2敏感材料层修饰于介电层上方。
6、本专利技术所提供的碳基fet气体传感器，sno2敏感材料精确地修饰在介电层上方，其在气敏检测环境下呈现出对co的特异性响应。这种特异性响应使得传感器在存在多种气体的环境中，仍能够准确区分和检测co气体，实现高选择性的检测。而通过场效应晶体管的放大效应，显著提高了基于sno2敏感材料的气体传感器的检测极限和综合性能，高纯度的半导体碳纳米管网络薄膜作为通道带来的超高载流子迁移率，以及y2o3介电层作为栅极绝缘体用于隔断目标气体与沟道材料的直接接触，介电层的引入通过协同放大效应和保护效应，使气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性得到了协同优化。两者的融合实现具有超低检测限、良好选择性的co检测。
7、优选的方案，所述硅基底的表面具有二氧化硅表面介电层，二氧化硅介电层的厚度为100-300nm。
8、优选的方案，所述碳纳米管(cnt)的纯度≥99.99％。
9、优选的方案，所述沟道层的厚度为1-2nm，沟道层的宽度为65-55μm，长度为25-15μm。
10、优选的方案，所述介电层的材料为氧化钇，所述介电层的厚度为4-8nm。本专利技术的介电层为高k的氧化钇介电层。专利技术人发现，介电层厚度会影响到所制备气体传感器的器件性能，介电层过薄会导致不能成膜而起不到保护机制，而介电层过厚可能导致信号传输受阻，影响到传感器的灵敏度和响应速度。电子信号需要穿过介电层才能到达沟道层，如果介电层太厚，可能会减弱电子对于沟道层的影响，从而影响传感器的灵敏度和检测性能。4-8nm的氧化钇介电层，可以保证制备出均匀氧化钇薄膜的同时不影响器件的响应。
11、优选的方案，所述源极与漏极为ti/pd/au电极，厚度为60-70nm。
12、优选的方案，sno2敏感材料层的厚度为75-85nm。专利技术人发现，将sno2敏感材料层的厚度控制在上述范围内，可以提供足够的表面积以及有效的气体吸附和解吸速率，确保传感器对待测气体的高灵敏度和高选择性，若材料厚度过薄可能无法提供足够的表面积与待测气体接触，同时减弱了气体分子与sno2之间的相互作用，从而降低了敏感性。而sno2敏感材料层过厚会减弱电子对沟道层碳管的影响，增加气体吸附和解析的时间，降低了传感器的实时性甚至可能导致无法响应。
13、优选的方案，所述sno2敏感材料层通过溶胶凝胶法修饰于介电层的上方。专利技术人意外的发现，sno2敏感材料层制备方法对于碳基fet气体传感器对气体的选择性影响非常大，采用溶胶凝胶法将使碳基fet气体传感器对co具有特异的选择性。
14、本专利技术还提供一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器的制备方法，将fet传感器基底采用光刻工艺对fet传感器基底进行图案化，仅暴露出介电层部分，将sno2量子点溶液旋涂在fet传感器基底表面，加热凝固后，剥离光刻胶，同时去除沟道以外的sno2量子点，最后退火处理即得碳基fet气体传感器。
15、本专利技术所提供的制备方法，通过溶胶凝胶方法将sno2敏感材料设置于fet传感器基底中的介电层上方，原料简单、成本低廉且与碳基fet制备工艺兼容。
16、优选的方案，所述sno2量子点溶液的制备方法为：将氧化亚锡二水合物和硫脲溶解于水中即得sno2量子点溶液，所述sno2量子点溶液中，氧化亚锡二水合物的浓度为36.5-37mg/ml，硫脲的浓度为11.1-12mg/ml。
17、在本专利技术中，以sncl2·2h2o作为锡源，硫脲的作用是作为促进剂和稳定剂，在蒸馏水中对sncl2·2h2o进行水解、脱水和氧化；因此sncl2·2h2o与硫脲的浓度对sno2敏感材料的制备具有一定的影响，过高的氧化亚锡二水合物浓度可能导致溶液中存在未溶解的氧化亚锡，容易形成沉淀或团聚，导致溶液不均匀或难以稳定制备sno2量子点溶液。浓度过低可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器，其特征在于：所述碳基FET气体传感器，由FET传感器基底与位于FET传感器基底上方的SnO2敏感材料层构成，所述FET传感器基底依次包含硅基底，位于硅基底上方由碳纳米管构成的沟道层，位于沟道层上方的介电层，位于介电层两侧的源极与漏极组成，所述SnO2敏感材料层修饰于介电层上方。
2.根据权利要求1所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器，其特征在于：所述硅基底的表面具有二氧化硅表面介电层，二氧化硅介电层的厚度为100-300nm；
3.根据权利要求1所述的一种碳基FET气体传感器，其特征在于：
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器，其特征在于：所述SnO2敏感材料层通过溶胶凝胶法修饰于介电层的上方。
5.权利要求1-4任意一项所述的一种碳基FET气体传感器的制备方法，其特征在于：将FET传感器基底采用光刻工艺对FET传感器基底进行图案化，仅暴露出介电层部分，将SnO2量子点溶液旋涂在FET传感器基底表面，加热凝固后，剥
6.根据权利要求5所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器，其特征在于：所述SnO2量子点溶液的制备方法为：将氧化亚锡二水合物和硫脲溶解于水中即得SnO2量子点溶液，所述SnO2量子点溶液中，氧化亚锡二水合物的浓度为36.5-37mg/ml，硫脲的浓度为11.1-12mg/ml。
7.根据权利要求5所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器的制备方法，其特征在于：所述旋涂的工艺过程为，先采用1000-1200rmp的转速旋涂20-25s，然后再采用2000-2200rmp的转速旋涂40-45s；
8.根据权利要求5所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器的制备方法，其特征在于：所述退火处理在空气气氛中进行，所述退火处理的温度为140-160℃，退火处理的时间为1-2h。
9.权利要求1-4任意一项所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器的应用，其特征在于：将所述碳基FET气体传感器应用于PPB级CO气体的痕量检测。
10.根据权利要求9所述的一种用于PPB浓度CO检测的碳基FET气体传感器的应用，其特征在于：碳基FET气体传感器的工作温度≤150℃。
...【技术特征摘要】
1.一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器，其特征在于：所述碳基fet气体传感器，由fet传感器基底与位于fet传感器基底上方的sno2敏感材料层构成，所述fet传感器基底依次包含硅基底，位于硅基底上方由碳纳米管构成的沟道层，位于沟道层上方的介电层，位于介电层两侧的源极与漏极组成，所述sno2敏感材料层修饰于介电层上方。
2.根据权利要求1所述的一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器，其特征在于：所述硅基底的表面具有二氧化硅表面介电层，二氧化硅介电层的厚度为100-300nm；
3.根据权利要求1所述的一种碳基fet气体传感器，其特征在于：
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种用于ppb浓度co检测的碳基fet气体传感器，其特征在于：所述sno2敏感材料层通过溶胶凝胶法修饰于介电层的上方。
5.权利要求1-4任意一项所述的一种碳基fet气体传感器的制备方法，其特征在于：将fet传感器基底采用光刻工艺对fet传感器基底进行图案化，仅暴露出介电层部分，将sno2量子点溶液旋涂在fet传感器基底表面，加热凝固后，剥离光刻胶，最后退火处理即得碳基fet气体传感器。
6.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹觉先，黄尧，周云，詹世湘，魏晓林，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：
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