基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器及制备方法技术

本发明专利技术的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器及制备方法，包括：在不导电且不会与有机化学分子发生反应的衬底上生长成的半导体纳米线；所生长的半导体纳米线部分被不导电、不溶于有机化学溶剂、不溶于水、不与半导体纳米线及电极发生反应的密封层所覆盖；以及将两电极中一者与被所述密封层密封的半导体纳米线相连、另一者与未被所述密封层密封的半导体纳米线相连接，当纳米化学传感器接触化学物质时，其被密封层覆盖的部分和未被覆盖的部分之间会产生电势差，由此可实现无需外加电源就能进行定量及定性检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米化学传感器及制备方法，尤其涉及一种基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器及制备方法。
技术介绍
近年来，以半导体纳米线或者碳纳米管为工作单元的化学传感器因其体积小、灵 敏度高、能耗小而引起人们的广泛关注，许多科研单位和公司都开展了这方面的研究。此类 化学传感器的一般工作原理是，当化学物质接触半导体纳米线或者碳纳米管表面时，化学 物质与纳米线(管)表面发生电子转移从而在纳米线(管)内形成电子富集区或截止区， 使纳米线(管)的电阻(导)率发生改变，引起电信号的变化。这种电信号的改变一般与 化学物质的浓度成正比。由于半导体纳米线(管)具有相对比较大的表面积，因此具有较 高的检测灵敏度。但这类半导体纳米化学传感器工作过程中都需要一个外加电源，由于电 源本身的大尺度以及寿命局限性，使此类器件的集成及应用受到一定的限制。尤其是在某 些电能无法直接传输的极端环境下，如生物体内、航空航天领域等，器件的工作寿命往往受 电池寿命的影响。 基于量子力学中的密度泛函理论计算结果表明，当半导体纳米线(管)表面与极 性的化学分子接触时，其电负性(工作函数)会发生显著变化，而且变化程度与化学分子在 纳米线表面的覆盖率以及分子本身的极性有关。如氧化锌半导体接触乙醇分子时，当覆盖 率从0增加到100%，其电负性由4. 5电子伏降低到2. 4电子伏。 因此，基于量子力学中的密度泛函理论，如何开发一种能自供电的纳米化学传感 器，也就是自身能够转换化学能而为其自身提供电能的传感器器件，以避免电源体积、寿命 等问题的局限性，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器，以 实现在无外加电源的情形下对化学物质进行定性、定量的检测。 本专利技术的目的在于提供一种制备基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感 器的方法。 为了达到上述目的及其他目的，本专利技术的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器，包括不导电且不会与有机化学分子发生反应的衬底；生长在所述衬底表面的半导体纳米线；不导电、不溶于有机化学溶剂、不溶于水、不与半导体纳米线及电极发生反应且覆盖部分半导体纳米线的密封层；以及两电极，其中一者与被所述密封层密封的半导体纳米线相连接，另一者与未被所述密封层密封的半导体纳米线相连接。 较佳的，所述半导体纳米线被密封层密封的部分多于未被密封层密封的部分。 较佳的，所述半导体纳米线可为多根或单根；当为多根时，其形状可呈相互连接的垂直阵列状或相互连接的杂乱无序状；当为单根时，其可为半导体型的碳纳米管；此外，所 述半导体纳米线可以是由硅、氧化锌、锗、及氮化镓中的一种材料形成的n型或者p型纳米 线。 较佳的，所述两电极可以是由Ti/Pt、Ti/Pd、及Ti/Au中的一种所形成的薄膜。 本专利技术的制备基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器的方法，包括步 骤1)在不导电且不会与有机化学分子发生反应的衬底表面生长半导体纳米线；2)在所述 半导体纳米线表面沉积不导电、不溶于有机化学溶剂、不溶于水、不与半导体纳米线及电极 发生反应的密封层，且使密封层仅覆盖部分的半导体纳米线；3)制备两电极，使其中一者 与被所述密封层密封的半导体纳米线相连接，另一者与未被所述密封层密封的半导体纳米 线相连接。 其中，可采用气相_液相_固相生长原理的化学气相沉积法生长半导体纳米线，所述半导体纳米线可以是由硅、氧化锌、锗、及氮化镓中的一种材料形成的n型或者p型纳米线；当所形成的半导体纳米线为多根时，其形状可以是垂直阵列状或杂乱无序状。 综上所述，本专利技术的通过将制备在衬底上的半导体纳米线部分被覆盖、部分被暴露，由此可使其接触化学物质时，覆盖部分和暴露部分会形成电压差，从而实现在无任何外加电源的情况下进行化学分子的定性或定量检测。附图说明 图1为实施例一中的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器的结构示 意图。 图2为实施例一中的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器接触非极 性化学物质所获得的检测信号示意图。 图3为实施例一中的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器接触不同 浓度乙醇所获得的检测信号示意图。 图4为实施例二中的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器的结构示 意图。 图5a-5d为实施例二中的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器接触 不同极性化学物质所获得的检测信号示意图。 图6为实施例二中的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器接触不同 浓度乙醇所获得的检测信号示意图。具体实施例方式以下将通过具体实施例来详细说明本专利技术的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器及制备方法。 实施例一 请参阅图l，本专利技术的基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器包括衬 底(图1中未示出)、半导体纳米线11、密封层12、以及两电极13。所述衬底不导电且不会与有机化学分子发生反应。在本实施例中，衬底为硅〈111>单晶并覆盖有300nm左右的氧化层构成。 所述半导体纳米线11生长在所述衬底表面，其有多根，杂乱无章排列并交织在一 起而相互导通。在本实施例中，所述半导体纳米线ll由硅形成的为P型纳米线，其平均直 径为30nm，长度约10um左右。此外，也可采用氧化锌、锗、或氮化镓形成的n型或者p型纳 米线。 所述密封层12的材料不导电、不溶于有机化学溶剂、不溶于水、且不与半导体纳 米线及电极发生反应，其仅覆盖部分半导体纳米线，如图1所示，区域14中的半导体纳米线 则未被覆盖。在本实施例中，所述密封层12的材料为环氧树脂，将约2/3的半导体纳米线 密封，其余1/3半导体纳米线被暴露。 所述两电极13中的一者与被所述密封层12密封的半导体纳米线相连接，另 一者与未被所述密封层密封的半导体纳米线相连接。在本实施例中，所述两电极13为 4nmTi/80nm Au薄膜。此外，两电极也可为由Ti/Pt、 Ti/Pd、或Ti/Au所形成的薄膜。 制备上述基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器的方法如下 步骤1 :采用基于气相_液相_固相生长原理的化学气相沉积法在不导电且不会 与有机化学分子发生反应的衬底表面生长半导体纳米线，即以〈111〉单晶硅为衬底，SiH4 为前驱体，B2H6为掺杂物。具体的化学气相沉积工艺条件为生长温度46(TC，生长时间为 30分钟，SiH4和B2H6的比例约为4000 : 1。此外，也可采用其它方法生长半导体纳米线。 步骤2 :沉积金属电极。将半导体纳米线中间部分用模版遮住，两端用电子束蒸发 法沉积金属薄膜，使之与半导体纳米线形成欧姆接触。可以99. 99%的纯钛和99. 99%的纯 金靶材为蒸发源。Ti厚度为4nm， Au厚度为80nm。 步骤3 :用环氧树脂将约2/3的硅纳米线密封，并在室温下自然干燥。 步骤4 :用导线连接金属电极薄膜，然后连接到半导体参量测试仪15，用以检测信号。导线与金属电极薄膜的连接可用导电银胶。 制备完成以后，首先用半导体参量测试仪15测试了基于半导体纳米线且能自供 电的纳米化学传感器的电学特性(IV曲线)，然后测试在没有任何外接电源的条件下基于 半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器接触极性化学分子时的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半导体纳米线且能自供电的纳米化学传感器，其特征在于包括：不导电且不会与有机化学分子发生反应的衬底；生长在所述衬底表面的半导体纳米线；不导电、不溶于有机化学溶剂、不溶于水、不与半导体纳米线及电极发生反应且覆盖部分半导体纳米线的密封层；两电极，其中一者与被所述密封层密封的半导体纳米线相连接，另一者与未被所述密封层密封的半导体纳米线相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王现英，王银民，杨俊和，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]