基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法，該方法包括：在耐高溫襯底上生長一層Zn；將生長有Zn的襯底浸入Cu的可溶性鹽離子溶液中，溶液中的Cu離子被置換出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒；對表面附著有Cu納米顆粒的Zn進(jìn)行熱氧化處理，將Cu納米顆粒氧化為CuO納米顆粒，得到摻雜CuO納米顆粒的ZnO氣體敏感膜。本發(fā)明專利技術(shù)的制備方法具有成膜質(zhì)量好，制備過程簡單，成本低，易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜制備
，特別是一種，以制備可應(yīng)用于傳感器及催化的摻雜CuO的ZnO敏感膜。
技術(shù)介紹
由于CO的高毒性以及H2的危險(xiǎn)性，因此對于它們在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療護(hù)理等中的監(jiān)測和檢測非常重要。檢測CO和H2的傳感器有電化學(xué)傳感器、紅外傳感器、催化燃燒式氣體傳感器和半導(dǎo)體氣體傳感器等，其中，電化學(xué)傳感器有著易于中毒的缺點(diǎn)；紅外傳感器成本高，而且不易攜帶；催化燃燒式氣體傳感器則選擇性比較差；半導(dǎo)體氣體傳感器是通過半導(dǎo)體·敏感膜與氣體的吸附和反應(yīng)從而引起其電學(xué)特性的變化，通過檢測其變化來實(shí)現(xiàn)識別和檢測其濃度的功能，半導(dǎo)體敏感膜的種類多樣，而且可以通過摻雜等手段提高其選擇性和靈敏度，因此半導(dǎo)體氣體傳感器在檢測氣體方面有著較好的前景。由于半導(dǎo)體氣體傳感器是利用敏感膜與反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)而達(dá)到檢測敏感物的原理，因此敏感膜的選擇和制備對半導(dǎo)體氣體傳感器性能有著決定性的影響，是半導(dǎo)體氣體傳感器的核心技術(shù)。ZnO是一種比較成熟的半導(dǎo)體敏感材料,其在檢測CO、H2等氣體有著良好的性能，ZnO構(gòu)成的敏感膜已經(jīng)被廣泛的研究。而合理摻雜的ZnO敏感膜會(huì)使半導(dǎo)體氣體傳感器對檢測CO和H2等氣體的靈敏性和穩(wěn)定性有很大提高。但是，目前應(yīng)用摻雜的ZnO敏感膜的氣體傳感器，大部分都是通過溶液反應(yīng)后將摻雜后的ZnO復(fù)合物轉(zhuǎn)移到傳感器基底上，其膜的粘附性較差，有時(shí)候還需要與有機(jī)粘附劑混合后才能轉(zhuǎn)移到傳感器基底上。而應(yīng)用磁控濺射等其他手段摻雜的ZnO難以控制摻雜顆粒的分布和形態(tài)，都有著其局限性，而且其摻雜物質(zhì)的顆粒大小不易控制。因此尋找一種粘附性好、可控?fù)诫s的ZnO敏感膜的新型成膜方式對于半導(dǎo)體氣體傳感器領(lǐng)域的研究和工業(yè)生產(chǎn)都有積極的作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本專利技術(shù)的主要目的是提供一種，以制備出摻雜CuO納米顆粒的ZnO敏感膜。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供一種，該方法包括:在耐高溫襯底上生長一層Zn ;將生長有Zn的襯底浸入Cu的可溶性鹽離子溶液中，溶液中的Cu離子被置換出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒；以及對表面附著有Cu納米顆粒的Zn進(jìn)行熱氧化處理，將Cu納米顆粒氧化為CuO納米顆粒，得到摻雜CuO納米顆粒的ZnO氣體敏感膜。上述方案中，所述在耐高溫襯底上生長一層Zn的步驟中，是采用電子束蒸發(fā)或磁控派射的方法在耐高溫襯底上生長一層Zn。上述方案中，所述耐高溫襯底是硅、石英、氧化鋁或陶瓷。所述Zn的厚度在IOnm至5000nm之間。上述方案中，所述將生長有Zn的襯底浸入Cu的可溶性鹽離子溶液的步驟中，Cu的可溶性鹽離子溶液為Cu (NO3) 2、CuCl2、CuS04、Cu (NO3) 2或Cu (CH3COO)215 Cu的可溶性鹽離子溶液的摩爾濃度為IO-5M-1O-1M11浸入時(shí)間為30秒至5小時(shí)。上述方案中，所述對表面附著有Cu納米顆粒的Zn進(jìn)行熱氧化處理的步驟中，熱氧化處理的工藝為:氧化爐的溫度為400°C _950°C，時(shí)間為3小時(shí)-12小時(shí)。(三)有益效果本專利技術(shù)提供的這種，先在耐高溫襯底上淀積一層Zn，然后直接將淀積有Zn的襯底浸入Cu的鹽離子溶液中，通過置換反應(yīng)可以使Cu原子在Zn上面直接被還原出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒,再經(jīng)過熱氧化而形成摻雜CuO的ZnO 敏感膜。置換過程可以在常溫下進(jìn)行，也可以在水浴里進(jìn)行，易于控制，而且反應(yīng)溫度低，耗能少。同時(shí)本專利技術(shù)是直接在襯底上制備原位摻雜CuO的ZnO敏感膜，不需要像溶膠凝膠和水熱反應(yīng)及其他溶液反應(yīng)制備納米材料的方法那樣需要干燥離心，而且也不需要將制好的納米材料轉(zhuǎn)移到襯底上。而且反應(yīng)條件易于控制，同時(shí)適合批量生產(chǎn)，效率高于一般制備納米材料的溶液反應(yīng)，也不需要用到昂貴的設(shè)備，ZnO敏感膜的粘附性好，可控?fù)诫s性好，具有很好的應(yīng)用前景。附圖說明為了更進(jìn)一步說明本專利技術(shù)的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例子，對本專利技術(shù)做詳細(xì)描述，其中:圖1是依照本專利技術(shù)實(shí)施例的流程圖。圖2-1至圖2-3是依照本專利技術(shù)實(shí)施例的基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的工藝流程圖。具體實(shí)施例方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本專利技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)說明。首先，介紹置換反應(yīng)-熱氧化方法的原理。置換反應(yīng)是一種單質(zhì)和化合物反應(yīng)生成另一種單質(zhì)和化合物的反應(yīng)。本專利技術(shù)中，金屬活動(dòng)性強(qiáng)的金屬Zn可以置換出金屬活動(dòng)性差的Cu，從而在Zn表面附著Cu納米顆粒，再經(jīng)過熱氧化就可以得到摻雜CuO的ZnO敏感膜。基于上述實(shí)現(xiàn)原理，本專利技術(shù)提供的這種，先在耐高溫襯底上淀積一層Zn，然后直接將淀積有Zn的襯底浸入Cu的鹽離子溶液中，通過置換反應(yīng)可以使Cu原子在Zn上面直接被還原出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒,再經(jīng)過熱氧化而形成摻雜CuO的ZnO敏感膜。圖1示出了依照本專利技術(shù)實(shí)施例的流程圖，該方法包括:步驟10:在耐高溫襯底上生長一層Zn ；在本步驟中，在耐高溫襯底上生長一層Zn采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法，耐高溫襯底可以是娃、石英、氧化招、陶瓷等，Zn的厚度在IOnm至5000nm之間，優(yōu)選地Zn的厚度可以是 10nm、80nm、800nm、2500nm、3500nm 或 5000nm。步驟20:將生長有Zn的襯底浸入Cu的可溶性鹽離子溶液中，溶液中的Cu離子被置換出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒；在本步驟中，Cu的可溶性鹽離子溶液為Cu (NO3) 2、CuCl2、CuSO4、Cu (NO3) 2或Cu(CH3COO)2等，其溫度為(TC _100°C，摩爾濃度為KT5M-KT1M,浸入時(shí)間為30秒至5小時(shí)，由于Zn的還原性強(qiáng)于Cu,溶液中的Cu離子被置換出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒，Cu納米顆粒的大小可以通 過控制溶液的濃度、溫度和浸入時(shí)間來控制，例如在一定溫度和浸入時(shí)間下，溶液濃度越高，Zn表面的析出的Cu納米顆粒一般就越多和越大；在一定濃度和浸入時(shí)間下，溫度越高，Zn表面析出的Cu納米顆粒一般就越小；在一定得溫度和浸入時(shí)間下，溶液濃度越高，Zn表面析出的Cu納米顆粒就越多；優(yōu)選地，對于表面生長有厚度為80nm的Zn的襯底，在本專利技術(shù)的實(shí)施例a中，Cu的可溶性鹽離子溶液的溫度為0°C，摩爾濃度為10_5M，浸入時(shí)間為5小時(shí)；在本專利技術(shù)的實(shí)施例b中，Cu的可溶性鹽離子溶液的溫度為100°C，摩爾濃度為KT1M,浸入時(shí)間為30秒；在本專利技術(shù)的實(shí)施例c中，Cu的可溶性鹽離子溶液的溫度為40°C，摩爾濃度為10_4M，浸入時(shí)間為4小時(shí)；在本專利技術(shù)的實(shí)施例d中，Cu的可溶性鹽離子溶液的溫度為60°C，摩爾濃度為10_2M，浸入時(shí)間為2小時(shí)。步驟30:對表面附著有Cu納米顆粒的Zn進(jìn)行熱氧化處理，將Cu納米顆粒氧化為CuO納米顆粒,就得到摻雜CuO納米顆粒的ZnO氣體敏感膜；在本步驟中，熱氧化處理的具體工藝為:氧化爐的溫度一般為400°C _950°C，時(shí)間為3小時(shí)-12小時(shí)；優(yōu)選地，在本專利技術(shù)的實(shí)施例a中，氧化爐的溫度為400°C，時(shí)間為12小時(shí)；在本專利技術(shù)的實(shí)施例b中，氧化爐的溫度為950°C，時(shí)間為3小時(shí)；在本專利技術(shù)的實(shí)施例c中，氧化爐的溫度為700°C，時(shí)間為5小時(shí)；在本專利技術(shù)的實(shí)施例d中，氧化爐的溫度為550°C，時(shí)間本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于置換反應(yīng)?熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法，其特征在于，該方法包括：在耐高溫襯底上生長一層Zn；將生長有Zn的襯底浸入Cu的可溶性鹽離子溶液中，溶液中的Cu離子被置換出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒；以及對表面附著有Cu納米顆粒的Zn進(jìn)行熱氧化處理，將Cu納米顆粒氧化為CuO納米顆粒，得到摻雜CuO納米顆粒的ZnO氣體敏感膜。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法，其特征在于，該方法包括: 在耐高溫襯底上生長一層Zn ； 將生長有Zn的襯底浸入Cu的可溶性鹽離子溶液中，溶液中的Cu離子被置換出來進(jìn)而在Zn表面析出Cu納米顆粒；以及 對表面附著有Cu納米顆粒的Zn進(jìn)行熱氧化處理,將Cu納米顆粒氧化為CuO納米顆粒，得到摻雜CuO納米顆粒的ZnO氣體敏感膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法，其特征在于，所述在耐高溫襯底上生長一層Zn的步驟中，是采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法在耐高溫襯底上生長一層Zn。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法，其特征在于，所述耐高溫襯底是硅、石英、氧化鋁或陶瓷。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于置換反應(yīng)-熱氧化方法制備復(fù)合半導(dǎo)體敏感膜的方法，其特征在于，所述Zn的厚度在IOnm至5000nm之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于置換...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李冬梅，陳鑫，梁圣法，詹爽，張培文，謝常青，劉明，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院微電子研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：