一種多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)過程中帶來的各種有害氣體(如N02、C0、NH3、302等)不斷增加。其中氮氧化物(NOx)氣體是導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧的主要原因，其在污染環(huán)境的同時也嚴(yán)重威脅著人類的健康和安全。因此研宄用于檢測氮氧化物氣體的高性能氣敏傳感器材料與器件意義重大，并成為近年來的研宄熱點(diǎn)。
[0003]氧化鎢作為一種極具研宄與應(yīng)用前景的半導(dǎo)體敏感材料，已廣泛用于檢測各種有毒和危險性的氣體(如N02、NH3等)。然而氧化鎢工作溫度較高(150°C?250°C )，長時間在高溫條件下工作不僅會極大地增加傳感器的功耗，同時會致使傳感器的穩(wěn)定性變差。因此科技人員一直致力于降低氧化鎢工作溫度的研宄，并發(fā)現(xiàn)一維氧化鎢具有較大的比表面積和較強(qiáng)的氣體吸附能力，這些特征可以加快與氣體之間的反應(yīng)，對提高靈敏度和降低工作溫度具有重要的意義。
[0004]多孔硅是一種在硅片表面通過腐蝕形成的孔徑尺寸、孔道深度和孔隙率可調(diào)的新型氣敏材料，在室溫條件下具有較高的表面化學(xué)活性，可用于檢測N02、NH3, H2S, COx以及多種有機(jī)氣體(乙醇、丙酮等)。此外，多孔硅的制作工藝易與微電子工藝技術(shù)兼容。但是多孔硅也存在著靈敏度低的缺點(diǎn)，這將制約它的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中有害氣體檢測所用氧化鎢工作溫度較高的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]一種多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括下列步驟:
[0008](I)硅基片的清洗:
[0009]將P型單面拋光的單晶硅基片放入濃硫酸與過氧化氫的混合液中浸泡30?50min，隨后置于氫氟酸與去離子水的混合液中浸泡20?40min，然后分別在丙酮和乙醇中超聲清洗5?20min，最后將娃基片放入無水乙醇中備用；
[0010](2)制備多孔硅:
[0011]采用雙槽電化學(xué)腐蝕法在步驟(I)的單晶硅片的拋光表面制備多孔硅層；
[0012](3)制備種子溶液:
[0013]將鎢酸鈉全部溶解于去離子水中，隨后逐滴加入稀鹽酸，直至不再產(chǎn)生白色沉淀，然后將混合液靜置30?60min，將上層清液倒掉后再利用低速離心機(jī)離心底層的沉淀，再將沉淀溶入10?30ml的過氧化氫中形成濃度為0.5?IM的黃色透明的種子溶液；
[0014](4)制備種子層:
[0015]將步驟(3)中制備的種子溶液旋涂于步驟(2)中所制備的多孔硅上，然后進(jìn)行熱處理；
[0016](5)水熱法制備多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu):
[0017]首先配置反應(yīng)液，稱取鎢酸鈉，將其全部溶解于去離子水中，形成濃度為0.05?
0.lmol/L的鎢酸鈉溶液，利用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至酸性，隨后將溶液稀釋并用草酸進(jìn)一步調(diào)節(jié)PHo接著移取配置好的反應(yīng)液至水熱反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，然后將(4)中附著有種子層的多孔硅襯底插在樣品架上水平騰空置于內(nèi)襯中，最后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中恒溫反應(yīng)；
[0018](6)水熱反應(yīng)后多孔娃基片的清洗和干燥。
[0019]所述步驟(I)的P型單面拋光的單晶硅片的電阻率為10?15Ω.cm，厚度為400 μ m，晶向?yàn)?100)，硅基片襯底的尺寸為2.2?2.4cmX0.8?0.9cm。
[0020]所述步驟(2)雙槽電化學(xué)腐蝕法所用電解液由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸和質(zhì)量濃度為40 % 二甲基甲酰胺組成，體積比為1: 2，在室溫且不借助光照的環(huán)境下通過改變電流密度和腐蝕時間改變多孔硅的平均孔徑和厚度，施加的電流密度為50?lOOmA/cm2，腐蝕時間為5?20min。
[0021]所述步驟(4)的種子層旋涂的次數(shù)為5次，置于馬弗爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為550?700°C，保溫時間為2h，升溫速率為2?5°C /min。
[0022]所述步驟(5)中反應(yīng)的pH值分兩步進(jìn)行調(diào)節(jié)，先利用稀鹽酸將溶液pH值調(diào)至
1.5?2.0，再利用草酸將稀釋后的溶液的pH調(diào)至1.5?3.0。
[0023]所述步驟(5)稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至酸性，隨后將溶液稀釋10倍。
[0024]所述步驟(5)中水熱反應(yīng)條件為180°C下恒溫反應(yīng)2h。
[0025]所述步驟(6)是指將步驟(5)中水熱反應(yīng)后的多孔硅基片反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在60?80°C的真空干燥箱中干燥8?10h。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:提供了一種可低成本控制多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)形貌的方法。水熱法操作較為簡單，所需控制的工藝條件少，且對環(huán)境無污染。本發(fā)明重點(diǎn)研宄了種子層的熱處理溫度多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)形貌的影響。并且，所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積，同時有序的氧化鎢納米棒陣列更有利于氣體的吸附和自由擴(kuò)散，這一材料在降低氣敏傳感器的工作溫度、提高傳感器的靈敏度和選擇性方面有重要的實(shí)踐和研宄價值。
【附圖說明】
[0027]圖1是實(shí)施例1所制備的多孔硅表面掃描電子顯微鏡照片；
[0028]圖2是實(shí)施例1所制備的多孔硅斷面掃描電子顯微鏡照片；
[0029]圖3是實(shí)施例1所制備的種子層表面掃描電子顯微鏡照片；
[0030]圖4是實(shí)施例1所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)表面掃描電子顯微鏡照片;
[0031]圖5是實(shí)施例1所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)斷面掃描電子顯微鏡照片;
[0032]圖6是實(shí)施例2所制備的種子層表面掃描電子顯微鏡照片；
[0033]圖7是實(shí)施例2所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)表面掃描電子顯微鏡照片;
[0034]圖8是實(shí)施例3所制備的種子層表面掃描電子顯微鏡照片；
[0035]圖9是實(shí)施例3所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)表面掃描電子顯微鏡照片;
[0036]圖10是實(shí)施例3所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)斷面掃描電子顯微鏡照片;
[0037]圖11是實(shí)施例4所制備的種子層表面掃描電子顯微鏡照片；
[0038]圖12是實(shí)施例4所制備的多孔硅基多維氧化鎢復(fù)合結(jié)構(gòu)表面掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0040]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純試劑。
[0041]實(shí)施例1
[0042](I)硅基片的清洗
[0043]將2寸P型電阻率為10?15 Ω.cm，厚度為400 μ m，晶向?yàn)?100)的單面拋光的單晶硅基片，切割成尺寸為2.4cmX0.9cm的矩形硅基底，將硅片放入體積比為3:1的濃硫酸與過氧化氫混合液中浸泡40min，隨后置于體積比為1:1的氫氟酸與去離子水混合液中浸泡30min，然后分別在丙酮和乙醇中超聲清洗5min，最后將娃基片放入無水乙醇中備用。
[0044](2)制備多孔硅
[0045]采用雙槽電化學(xué)腐蝕法在步驟(I)的單晶硅片的拋光表面制備多孔硅層，所用電解液由質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸和質(zhì)量濃度為40%二甲基甲酰胺組成，體積比為1:2，在室溫且不借助光照的環(huán)境下施加的電流密度為64mA/cm2，腐蝕時間為8min，多孔硅的形成區(qū)域?yàn)?.6