一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鉬薄膜器件及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鉬薄膜器件及其制備方法和應(yīng)用，該MoS2薄膜器件包括MoS2薄膜層、作為薄膜載體的半導(dǎo)體硅襯底及金屬銦電極。MoS2薄膜層是利用直流磁控濺射真空鍍膜技術(shù)沉積于Si襯底表面。本發(fā)明通過在Si襯底表面沉積MoS2薄膜，利用MoS2薄膜材料對(duì)NH3的吸附作用，研制出具有對(duì)NH3敏感效應(yīng)的MoS2薄膜器件。測(cè)試結(jié)果顯示：所制備的MoS2薄膜器件對(duì)NH3具有明顯的敏感性能，即在NH3條件下器件正向電流顯著增加。所制備薄膜器件對(duì)NH3響應(yīng)隨氣體濃度的增加而線性增大；在測(cè)量范圍內(nèi)，該器件對(duì)NH3的響應(yīng)可達(dá)到226.9％。同時(shí)，該MoS2薄膜器件對(duì)NH3響應(yīng)具有響應(yīng)速度快、狀態(tài)穩(wěn)定、周期重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鉬薄膜器件及其制備方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體薄膜制備和器件加工技術(shù)，具體地說是涉及一種具有氨氣(NH3)敏感效應(yīng)的二硫化鑰(MoS2)薄膜器件及其制備方法和應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]作為一種重要的化工醫(yī)藥試劑原料，NH3在化工、醫(yī)藥和軍事等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但同時(shí)NH3又是一種腐蝕和毒性氣體，對(duì)接觸的人體皮膚組織有腐蝕和刺激作用，若吸入的氨氣過多，導(dǎo)致血液中氨濃度過高，甚至可危及人體生命。因此，對(duì)空氣和特定環(huán)境中的NH3及其含量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的原位監(jiān)測(cè)和測(cè)量，具有重大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也具有重要的學(xué)術(shù)意義。近年來，國內(nèi)外對(duì)NH3傳感器的研制主要集中于半導(dǎo)體型、電化學(xué)型和紅外光學(xué)型等。在各種類型的NH3傳感器中，半導(dǎo)體型NH3傳感器具有制備工藝簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間短、重復(fù)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為應(yīng)用最為廣泛的NH3傳感器之一。但同時(shí)現(xiàn)有的半導(dǎo)體型NH3傳感器仍然存在著一些不足之處制約著它的發(fā)展:需在加熱條件下工作，因此需增加加熱電路，大大增加了器件的復(fù)雜性；需要借助貴金屬(Pt、Pd等)作為氣體吸附載體，這導(dǎo)致其成本大幅增加。為此，各種新型半導(dǎo)體材料不斷被應(yīng)用于新型NH3傳感器的研制，其中MoS2材料更值得關(guān)注。
[0003]MoS2是典型的層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元均是S-Mo-S的“三明治”結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上，MoS2具有兩個(gè)顯著的特征。首先，MoS2中各層內(nèi)以共價(jià)鍵緊密結(jié)合在一起，每個(gè)Mo原子被六個(gè)S原子包圍，呈三角棱柱狀，暴露出很多Mo-S棱面，可作為催化活性和氣體吸附中心，這有利于外界氣體分子在MoS2表面產(chǎn)生吸附。其次，MoS2中層與層之間以較弱的范德華力相結(jié)合，具有較大的空隙。這一結(jié)構(gòu)特征有利于氣體分子在MoS2內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散和遷移，從而增強(qiáng)材料的氣體吸附效果。根據(jù)上述特征，可以看出MoS2材料在研制新型氣體傳感器領(lǐng)域存在廣闊的應(yīng)用前景。在NH3檢測(cè)方面，國內(nèi)外研究人員主要研究了單層MoS2材料對(duì)NH3的響應(yīng)性能，結(jié)果顯示:單層MoS2材料對(duì)NH3具有優(yōu)良的響應(yīng)性能。但單層MoS2在材料制備和器件加工方面的困難嚴(yán)重限制了該類氣體傳感器件的發(fā)展。相比較而言，MoS2薄膜材料的制備方法和工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)。同時(shí)，以薄膜型態(tài)，有利于將MoS2材料與傳統(tǒng)半導(dǎo)體Si進(jìn)行疊加集成，為發(fā)展新型電子傳感器件提供新的材料選擇。但目前國內(nèi)外尚未見該方面的報(bào)道和應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件以及該二硫化鑰薄膜器件的制備方法和應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件，包括MoS2薄膜層、作為MoS2薄膜層載體的Si襯底及金屬In電極，MoS2薄膜層設(shè)置在Si襯底表面，MoS2薄膜層厚度為200-300nm，金屬In電極分別壓制于MoS2薄膜層和Si襯底表面。
[0007]優(yōu)選的，所述Si襯底為P型Si單晶襯底，電阻率為I?2 Ω cm L
[0008]優(yōu)選的，所述Si襯底表面還覆蓋有掩模片，掩模片位于MoS2薄膜層與Si襯底之間。
[0009]優(yōu)選的,所述金屬In電極連接金屬Cu導(dǎo)線。
[0010]一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件的制備方法，包括以下步驟:
[0011](I)選取Si襯底，對(duì)其進(jìn)行清洗，然后采用化學(xué)腐蝕方法去除清洗后Si襯底表面氧化層；
[0012](2)對(duì)去除表面氧化層的Si襯底進(jìn)行干燥，然后覆蓋掩模片；
[0013](3)將覆蓋掩模片的Si襯底放入真空腔，在Ar氣環(huán)境下，采用直流磁控濺射技術(shù)，利用電離出的離子轟擊MoS2靶材，在Si襯底表面沉積MoS2薄膜層；所述MoS2靶材為MoS2陶瓷耙，靶材純度為99.9%，所述Ar氣氣壓維持1.0Pa不變，靶基距為50mm，薄膜的沉積溫度為20?25°C，薄膜層厚度為200-300nm ；
[0014](4)分別在MoS2薄膜層和Si襯底上完成金屬電極的壓制，并引出金屬導(dǎo)線，制得MoS2薄膜器件。
[0015]優(yōu)選的，步驟(I)中，所述Si襯底為P型Si單晶襯底，尺寸為1XlOmm,電阻率為I?2Qcm 1 ;清洗過程如下:將Si襯底依次在高純酒精和丙酮溶液中多次超聲清洗，每次清洗的時(shí)間長(zhǎng)度為180s ;所述Si襯底表面氧化層的去除過程如下:將Si襯底在氫氟酸溶液中浸泡600s，氫氟酸溶液的質(zhì)量濃度為8-10%。
[0016]優(yōu)選的，步驟(2)中，所述Si襯底干燥過程是用干燥氮?dú)鈱⒁r底吹干，氮?dú)饧兌葹?9.95% ;所述掩模片材料為鑰，厚度為0.1mm，尺寸為10X 10mm，孔徑尺寸為5X 5mm。
[0017]優(yōu)選的，步驟(3)中，所述真空腔的背底真空度為5X10_5Pa，真空條件是由機(jī)械泵和分子泵雙級(jí)真空泵共同制得。
[0018]優(yōu)選的，步驟(4)中，所述金屬電極和導(dǎo)線材料分別是In和Cu，其中In的純度為99.5%，金屬電極直徑和厚度均為3_，Cu導(dǎo)線直徑為0.1_。
[0019]上述具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件可在制備NH3傳感器件方面進(jìn)行應(yīng)用。
[0020]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0021]本發(fā)明通過在Si襯底表面沉積MoS2薄膜，利用MoS2薄膜對(duì)NH3的吸附作用，研制出具有對(duì)NH3敏感效應(yīng)的MoS2薄膜器件。測(cè)試結(jié)果顯示:所制備的MoS2薄膜器件對(duì)NH3具有明顯的敏感性能，即在NH3條件下器件正向電流顯著增加。所制備薄膜器件對(duì)NH3響應(yīng)隨氣體濃度的增加而線性增大；在測(cè)量范圍內(nèi)，該器件對(duì)NH3的響應(yīng)可達(dá)到226.9%。同時(shí)，該MoS2薄膜器件對(duì)NH3響應(yīng)具有響應(yīng)速度快、狀態(tài)穩(wěn)定、周期重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。與目前所存在的NH3傳感器件相比較，本發(fā)明所涉及器件的工作條件排除了對(duì)加熱條件和貴金屬的依賴性，其制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，并具有NH3響應(yīng)性能顯著、重復(fù)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于NH3檢測(cè)領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:
[0023]圖1為所制備MoS2薄膜器件氣體敏感性能測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為空氣和氨氣條件下所制備MoS2薄膜器件的1-V曲線比較。
[0025]圖3為MoS2薄膜器件的氨氣響應(yīng)與外加正向電壓之間的關(guān)系曲線。
[0026]圖4為所制備MoS2薄膜器件對(duì)NH3的響應(yīng)與NH3濃度之間的關(guān)系曲線。
[0027]圖5為所制備MoS2薄膜器件對(duì)NH3的周期響應(yīng)性能。

【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明利用直流磁控濺射技術(shù)，在Si半導(dǎo)體襯底上沉積MoS2薄膜層，通過壓制金屬電極和連接金屬導(dǎo)線，形成MoS2薄膜器件。當(dāng)暴露于NH3氣氛中，由于對(duì)NH3產(chǎn)生吸附，MoS2薄膜的載流子發(fā)生改變，這導(dǎo)致器件電流發(fā)生明顯變化，從而使所制備的MoS2薄膜器件對(duì)NH3表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)性能。
[0029]下面對(duì)MoS2薄膜器件的結(jié)構(gòu)、制備方法及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明MoS2薄膜器件結(jié)構(gòu)，包括MoS2半導(dǎo)體薄膜層和Si半導(dǎo)體襯底，Si襯底作為MoS2薄膜層的載體，MoS2薄膜層設(shè)置在Si襯底表面。Si襯底為P型Si單晶襯底，電阻率為I?ZQcm1，結(jié)晶取向?yàn)?100)取向。所述MoS2薄膜層是采用直流磁控濺射技術(shù)沉積在Si襯底上，厚度為200?300nm。
[0031]進(jìn)一步地說，所述Si襯底表面還覆蓋有掩模片，掩模片位于MoS2薄膜層與Si襯底之間，掩模片所用材料為鑰，掩模片厚度為0.1mm,尺寸為1X 1mm,孔徑尺寸為5 X 5mm。
[0032]更進(jìn)一步地，在MoS2薄膜層和Si襯底上分別壓制金屬電極，并引出導(dǎo)線，得到MoS2薄膜器件。
[0033]上述MoS2薄膜器件的制備方法，具體包括以下步驟:
[0034](I)選取Si襯底，對(duì)其進(jìn)行清洗，然后采用化學(xué)腐蝕方法去除清洗后Si襯底表面氧化層；所述Si襯底為P型Si單晶襯底，尺寸為1X 10mm，電阻率為1-ZQcm1 ;清洗過程如下:將Si襯底依次在高純酒精和丙酮溶液中多次超聲清洗，每次清洗的時(shí)間長(zhǎng)度為180s ；，所述Si襯底表面氧化層的去除過程如下:將Si襯底在氫氟酸溶液中浸泡，優(yōu)選600s，氫氟酸溶液的質(zhì)量濃度為8?10%，如具體可為8%、9%或10%。
[0035](2)對(duì)去除表面氧化層的Si襯底進(jìn)行干燥，然后覆蓋掩模片；所述Si襯底干燥過程是用干燥氮?dú)鈱⒁r底吹干，氮?dú)饧兌葹?9.5%;所述掩模片材料為鑰，厚度為0.1_，尺寸為10 X 1mm,孔徑尺寸為5 X 5mm。
[0036](3)將覆蓋掩模片的Si襯底放入真空腔，在Ar氣環(huán)境下，采用直流磁控濺射技術(shù)，利用電離出的Ar離子轟擊MoS2靶材，在Si襯底表面沉積MoS2薄膜層；所述真空腔的背底真空度為5 X 10_5Pa，真空條件是由機(jī)械泵和分子泵雙級(jí)真空泵共同制得；所述MoS2靶材為MoS2陶瓷耙，靶材純度為99.9%，所述Ar氣氣壓維持1.0Pa不變，靶基距為50mm，薄膜的沉積溫度為室溫，優(yōu)選20?25°C，薄膜層厚度為200?300nm。
[0037](4)分別在MoS2薄膜層和Si襯底上完成金屬電極的壓制，并引出導(dǎo)線，制得MoS2薄膜器件。所述金屬電極和導(dǎo)線材料分別是In和Cu，其中In的純度為99.5%，金屬電極直徑和厚度均為3mm，Cu導(dǎo)線直徑為0.1mm。
[0038]上述具有NH3敏感效應(yīng)的MoS2薄膜器件可在制備NH3傳感器件方面進(jìn)行應(yīng)用。
[0039]下面結(jié)合性能測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步說明本發(fā)明的效果:
[0040]圖1為所制備MoS2薄膜器件氣體敏感性能測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2為空氣和氨氣條件下所制備MoS2薄膜器件的1-V曲線比較。如圖所示，所制備的MoS2薄膜器件的1-V曲線表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱特征，這主要是因?yàn)镸oS2薄膜與Si形成p-n結(jié)。在NH3條件下，器件電流明顯增大:當(dāng)電壓為+5V時(shí)，器件電流為8.1mA，這比無NH3條件下的電流(3.0mA)增大了 170%。上述特征表明:所制備的MoS2薄膜器件表現(xiàn)出明顯的NH3敏感性能。
[0042]圖3為MoS2薄膜器件的氨氣響應(yīng)與外加正向電壓之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著外加正向電壓增加，器件對(duì)NH3響應(yīng)逐漸增大。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，可分為三個(gè)電壓區(qū)域:1(0 (V〈0.8￥)，順3響應(yīng)不明顯，為]\^2/^ p-n 結(jié)控制區(qū)；II (0.8 (V (3.2V),NH3響應(yīng)快速增加區(qū)，為MoS2薄膜和MoS2/Si p-n結(jié)共同控制區(qū)；III (3.2〈V〈5.0￥)，順3響應(yīng)飽和區(qū)，為MoS2薄膜控制區(qū)?？梢钥闯?，當(dāng)MoS2薄膜控制器件電輸運(yùn)時(shí)，器件對(duì)NH3的響應(yīng)最明顯。
[0043]圖4為所制備MoS2薄膜器件對(duì)NH3的響應(yīng)與氣體濃度之間的關(guān)系曲線，測(cè)試電壓為+5V。如圖所示，所制備MoS2薄膜器件對(duì)不同濃度NH3均表現(xiàn)出了較明顯的響應(yīng)性能。當(dāng)NH3的體積濃度為100ppm時(shí)，器件響應(yīng)為21.8%。隨著氣體濃度增大，器件響應(yīng)線性增加。當(dāng)NH3的體積濃度為1000ppm時(shí)，器件響應(yīng)為226.9%。
[0044]圖5為所制備MoS2薄膜器件對(duì)NH3的響應(yīng)性能，測(cè)試電壓為+5V。如圖所示，通過改變其所處的氣氛條件，所制備MoS2薄膜器件表現(xiàn)出良好的NH3響應(yīng)性能，具有響應(yīng)速度快(5.0s)、狀態(tài)穩(wěn)定、重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。這些特征進(jìn)一步說明了該二硫化鑰薄膜器件可用來開發(fā)新型NH3傳感器件。
【權(quán)利要求】
1.一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件，其特征在于:包括MoS2薄膜層、作為MoS2薄膜層載體的Si襯底及金屬In電極，MoS2薄膜層設(shè)置在Si襯底表面，MoS2薄膜層厚度為200-300nm，金屬In電極分別壓制于MoS2薄膜層和Si襯底表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件，其特征在于:所述Si襯底為P型Si單晶襯底，電阻率為I?2 Ω cm、
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件，其特征在于:所述Si襯底表面還覆蓋有掩模片，掩模片位于MoS2薄膜層與Si襯底之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件，其特征在于:所述金屬In電極連接金屬Cu導(dǎo)線。
5.一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)選取Si襯底，對(duì)其進(jìn)行清洗，然后采用化學(xué)腐蝕方法去除清洗后Si襯底表面氧化層； (2)對(duì)去除表面氧化層的Si襯底進(jìn)行干燥，然后覆蓋掩模片； (3)將覆蓋掩模片的Si襯底放入真空腔，在Ar氣環(huán)境下，采用直流磁控濺射技術(shù)，利用電離出的離子轟擊MoS2靶材，在Si襯底表面沉積MoS2薄膜層；所述MoS2靶材為MoS2陶瓷耙，靶材純度為99.9%，所述Ar氣氣壓維持1.0Pa不變，靶基距為50mm，薄膜的沉積溫度為20?25°C，薄膜層厚度為200-300nm ； (4)分別在MoS2薄膜層和Si襯底上完成金屬電極的壓制，并引出金屬導(dǎo)線，制得MoS2薄膜器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件的制備方法，其特征在于:步驟⑴中，所述Si襯底為P型Si單晶襯底，尺寸為1X 10mm，電阻率為I?2 Qcm-1 ;清洗過程如下:將Si襯底依次在高純酒精和丙酮溶液中多次超聲清洗，每次清洗的時(shí)間長(zhǎng)度為180s ;所述Si襯底表面氧化層的去除過程如下:將Si襯底在氫氟酸溶液中浸泡600s，氫氟酸溶液的質(zhì)量濃度為8-10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，所述Si襯底干燥過程是用干燥氮?dú)鈱⒁r底吹干，氮?dú)饧兌葹?9.95% ;所述掩模片材料為鑰，厚度為0.1臟，尺寸為10X 10mm，孔徑尺寸為5X 5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件的制備方法，其特征在于:步驟⑶中，所述真空腔的背底真空度為5X 10_5Pa，真空條件是由機(jī)械泵和分子泵雙級(jí)真空泵共同制得。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件的制備方法，其特征在于:步驟(4)中，所述金屬電極和導(dǎo)線材料分別是In和Cu，其中In的純度為99.5%,金屬電極直徑和厚度均為3mm, Cu導(dǎo)線直徑為0.1mm。
10.如權(quán)利要求1所述的一種具有氨氣敏感效應(yīng)的二硫化鑰薄膜器件在制備NH3傳感器件方面的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G01N27/00GK104198532SQ201410450273
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】郝蘭眾, 劉云杰, 高偉, 于濂清, 薛慶忠 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(華東)