本發(fā)明涉及一種P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯的異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

納米材料具有比表面積大、電學(xué)性質(zhì)對(duì)表面吸附敏感等特點(diǎn)，將納米技術(shù)應(yīng)用于傳感領(lǐng)域，有望制備出響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性好的傳感器件。半導(dǎo)體金屬氧化物，尤其是氧化錫基納米材料，由于其優(yōu)越的光學(xué)、電學(xué)和氣體傳感特性而受到了廣泛的關(guān)注。研究表明，摻雜能夠進(jìn)一步提高氧化錫基納米材料的氣體傳感性能。雖然氧化錫基氣體傳感器已經(jīng)取得了一定的成就，但是其靈敏度和選擇性仍需進(jìn)一步提高。減小粒子的尺寸和增加材料的比表面積是提高靈敏度和選擇性的關(guān)鍵所在。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novosolevo制備出單原子片層、具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的石墨烯。由于其典型的二維結(jié)構(gòu)，石墨烯具有超高的比表面積、電導(dǎo)率對(duì)表面吸附敏感等優(yōu)點(diǎn)。近期研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可應(yīng)用于制備氣體傳感器并且對(duì)水蒸氣、一氧化碳、氨氣和二氧化氮?dú)怏w具有良好的響應(yīng)性。但是，石墨烯傳感器對(duì)一些危險(xiǎn)性氣體的探測(cè)，如甲烷，至今尚未發(fā)現(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器及其制備方法，所要解決的技術(shù)問題是提高氣體傳感器的響應(yīng)速度和性能的穩(wěn)定性，并盡量簡(jiǎn)化制備方法使其適于工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器的異質(zhì)結(jié)是由P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯構(gòu)成的。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器具有如下結(jié)構(gòu)：

在硅基底1的表面覆有二氧化硅層2，在二氧化硅層2的表面分散有平鋪的鑭摻雜氧化錫納米帶4，在所述鑭摻雜氧化錫納米帶4的兩端分別設(shè)置有歐姆電極3作為輸出一極，所述歐姆電極3與所述鑭摻雜氧化錫納米帶4呈歐姆接觸；在所述鑭摻雜氧化錫納米帶4上交疊覆有石墨烯5，所述石墨烯5位于兩個(gè)歐姆電極3之間且與歐姆電極3隔離；在所述石墨烯5上設(shè)置有歐姆電極6作為另一輸出極，所述歐姆電極6與所述石墨烯5呈歐姆接觸且與鑭摻雜氧化錫納米帶4和歐姆電極3隔離；

所述鑭摻雜氧化錫納米帶4為P型鑭摻雜氧化錫納米帶；所述石墨烯5為N型石墨烯；

所述歐姆電極3和歐姆電極6為金電極。

本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器的制備方法如下：

將鑭摻雜氧化錫納米帶4分散到硅基底1表面的二氧化硅層2上，隨后采用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出一對(duì)電極圖案，然后利用電子束鍍膜技術(shù)蒸鍍得到一對(duì)歐姆電極3，所述歐姆電極3與所述鑭摻雜氧化錫納米帶4呈歐姆接觸；將石墨烯5覆于二氧化硅層2的表面，利用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出與鑭摻雜氧化錫納米帶4交疊且位于兩個(gè)歐姆電極3之間并與歐姆電極3隔離的電極圖案，然后利用氧等離子轟擊除去電極圖案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)制備得到歐姆電極6，所述歐姆電極6與石墨烯5形成歐姆接觸且與鑭摻雜氧化錫納米帶4和歐姆電極3隔離。

本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器具有如下結(jié)構(gòu)：

在硅基底7的表面覆有二氧化硅層8，在二氧化硅層8的表面平鋪有石墨烯9，在石墨烯9上設(shè)置有絕緣層10，在所述絕緣層10的表面分散有鑭摻雜氧化錫納米帶11且所述鑭摻雜氧化錫納米帶11的一部分與石墨烯9接觸；在絕緣層10上設(shè)置有歐姆電極12，所述歐姆電極12與鑭摻雜氧化錫納米帶11呈歐姆接觸；在石墨烯9上設(shè)置有歐姆電極13，所述歐姆電極13與絕緣層10、歐姆電極12和鑭摻雜氧化錫納米帶11隔離；

所述鑭摻雜氧化錫納米帶11為P型鑭摻雜氧化錫納米帶；所述石墨烯9為N型石墨烯；

所述歐姆電極3和歐姆電極6為金電極。

本發(fā)明異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器的制備方法如下：

將石墨烯9平鋪到硅基底7表面的二氧化硅層8上，采用紫外光刻和磁控濺射鍍膜技術(shù)在石墨烯9的表面制備絕緣層10，將鑭摻雜氧化錫納米帶11分散到絕緣層10上的邊緣位置使所述鑭摻雜氧化錫納米帶11有部分與石墨烯9交疊接觸，利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在絕緣層10上制備歐姆電極12，所述歐姆電極12與所述鑭摻雜氧化錫納米帶11呈歐姆接觸；再次利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在石墨烯9上制備歐姆電極13，所述歐姆電極13與絕緣層10、歐姆電極12和鑭摻雜氧化錫納米帶11隔離。

所述絕緣層10選自氮化硅(Si₃N₄)、氧化哈(HfO₂)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)或二氧化硅(SiO₂)，絕緣層10的厚度為10納米至10微米。

本發(fā)明金電極的厚度為100nm。

本發(fā)明使用的P型鑭摻雜氧化錫納米帶4和N型石墨烯5是按照現(xiàn)有技術(shù)采用化學(xué)氣相沉積方法在水平管式石英爐中合成。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明涉及了一種工藝較為簡(jiǎn)單，成本低廉的的方法制備了P型氧化鈦與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器。由于結(jié)區(qū)其內(nèi)在電場(chǎng)的加速作用，異質(zhì)結(jié)結(jié)型氣體傳感器探測(cè)速度明顯更優(yōu)。此外，石墨烯具有柔性、透明以及高電導(dǎo)率等特點(diǎn)，使探測(cè)器具備了較好的接收被探測(cè)氣體的能力，因此具備了較高的響應(yīng)度和增益。所以，利用鑭摻雜氧化錫納米帶和石墨烯構(gòu)筑成異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器具備了較高的探測(cè)率、較高的響應(yīng)度、增益以及較快的探測(cè)速度，有利于氣體傳感器在快速集成電路中的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1為硅基底；2為二氧化硅層；3為歐姆電極；4為鑭摻雜氧化錫納米帶；5為石墨烯；6為歐姆電極。

圖2為本發(fā)明P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)：7為硅基底；8為二氧化硅層；9為石墨烯；10為絕緣層；11為鑭摻雜氧化錫納米帶；12為歐姆電極；13為歐姆電極。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

本實(shí)施例P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器具有如下結(jié)構(gòu)：

參見圖1，在覆有二氧化硅層2的硅基底1的表面分散有平鋪的鑭摻雜氧化錫納米帶4，在所述鑭摻雜氧化錫納米帶4的兩端分別設(shè)置有100納米厚的金電極3作為輸出一極，所述金電極3與所述鑭摻雜氧化錫納米帶4呈歐姆接觸；在所述鑭摻雜氧化錫納米帶4上交疊覆有石墨烯5，所述石墨烯5位于兩個(gè)金電極3之間且與金電極3隔離；在所述石墨烯5上設(shè)置有100納米厚的金電極6作為另一輸出極，所述金電極6與所述石墨烯5呈歐姆接觸且與鑭摻雜氧化錫納米帶4和金電極3隔離；

其中鑭摻雜鑭摻雜氧化錫納米帶4為P型鑭摻雜鑭摻雜氧化錫納米帶；所述石墨烯5為N型石墨烯。

本實(shí)施例中P型鑭摻雜鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯結(jié)型氣體傳感器的制備方法如下：

首先，利用化學(xué)氣相沉積方法在水平管式石英爐中合成鑭摻雜鑭摻雜氧化錫納米帶4和石墨烯5，將鑭摻雜氧化錫納米帶4分散到覆有二氧化硅層2的硅基底1的表面，二氧化硅層2的厚度為300納米，隨后采用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出一對(duì)電極圖案，然后利用電子束鍍膜技術(shù)蒸鍍得到一對(duì)100納米厚的金電極3，所述金電極3與所述鑭摻雜氧化錫納米帶4呈歐姆接觸；將石墨烯5覆于二氧化硅層2的表面，利用紫外光刻技術(shù)在二氧化硅層2上光刻出與鑭摻雜氧化錫納米帶4交疊且位于兩個(gè)金電極3之間并與金電極3隔離的電極圖案，然后利用氧等離子轟擊除去電極圖案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)制備得到100納米厚的金電極6，所述金電極6與石墨烯5形成歐姆接觸且與鑭摻雜氧化錫納米帶4和金電極3隔離，由鑭摻雜氧化錫納米帶4與石墨烯5形成異質(zhì)結(jié)。

實(shí)施例2：

如圖2所示，本實(shí)施例P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯異質(zhì)結(jié)型氣體傳感器具有如下結(jié)構(gòu)：

在覆有二氧化硅層8的硅基底7的表面平鋪有石墨烯9，在石墨烯9上設(shè)置有30納米厚的絕緣層10，在所述絕緣層10的表面分散有鑭摻雜氧化錫納米帶11且所述鑭摻雜氧化錫納米帶11的一部分與石墨烯9接觸；在絕緣層10上設(shè)置有100納米厚的金電極12，所述金電極12與鑭摻雜氧化錫納米帶11呈歐姆接觸；在石墨烯9上設(shè)置有100納米厚的金電極13，所述金電極13與絕緣層10、金電極12和鑭摻雜氧化錫納米帶11隔離；

所述鑭摻雜氧化錫納米帶11為P型鑭摻雜氧化錫納米帶；所述石墨烯9為N型石墨烯。

本實(shí)施例中所述絕緣層10為氮化硅。

本實(shí)施例中P型鑭摻雜氧化錫納米帶與N型石墨烯結(jié)型氣體傳感器的制備方法如下：

首先，利用化學(xué)氣相沉積方法在水平管式石英爐中合成鑭摻雜氧化錫納米帶11和石墨烯9，將石墨烯9平鋪到覆有二氧化硅層8的硅基底7的表面，采用紫外光刻和磁控濺射鍍膜技術(shù)在石墨烯9的表面制備30納米厚的絕緣層10，將鑭摻雜氧化錫納米帶11分散到絕緣層10上的邊緣位置使所述鑭摻雜氧化錫納米帶11有部分與石墨烯9交疊接觸，利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在絕緣層10上制備100納米厚的金電極12，所述金電極12與所述鑭摻雜氧化錫納米帶11呈歐姆接觸；再次利用紫外光刻技術(shù)和電子束鍍膜技術(shù)在石墨烯9上制備100納米厚的金電極13，所述金電極13與絕緣層10、金電極12和鑭摻雜氧化錫納米帶11隔離。