專利名稱：一種對氫氣敏感的鈀/碳/二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異氫氣敏感效應(yīng)的鈀/碳/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料。
背景技術(shù)：
氫氣是一種重要的工業(yè)氣體，在化工和石油煉制、生物醫(yī)藥工業(yè)、半導(dǎo)體電子工業(yè)中都有重要的應(yīng)用。由于氫氣的生產(chǎn)原料豐富、燃燒時不產(chǎn)生污染等特點(diǎn)，氫氣被認(rèn)為是將來可替代石油、煤等傳統(tǒng)能源的新型清潔能源。但由于氫氣無色無味、易燃易爆，因此，在氫氣的生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸過程中，就需要用可靠的氣敏傳感器來探測氫氣是否泄漏和監(jiān)控氫氣濃度的變化[Sens. Actuators B157 (2011) 329-352] 然而，目前商用的氫氣傳感器存在體積大成本高的缺點(diǎn)，另外，基于很多材料(如金屬氧化物等)制造的氫氣傳感器需要預(yù)加熱及高溫操作，而這將會導(dǎo)致高耗能，在某些惡劣環(huán)境下還會帶來危險[Int. J. Hydrogen Energy32 (2007) 1145]。近些年來,隨著納米科技的興起，國內(nèi)外研究者們開始致力于研發(fā)基于納米材料(如GaN、GaAs> SiC、Si基的納米材料以及Pd納米線、Ti納米管、ZnO納米棒、InN納米帶等納米材料)的氣體傳感器，但是該類納米材料的器件制作要求嚴(yán)格、成本高，不適用于產(chǎn)業(yè)化。因此，需要選擇合適的材料制造敏感性高、選擇性好、耗能低、體積小、成本低的氫氣敏感傳感器。由于非晶碳材料在很 多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景，非晶碳膜的研究已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。改變非晶碳材料的制備方法和條件可以獲得性能各異的非晶碳膜。目前，人們利用能量損失譜、高分辨電子顯微鏡等手段研究了非晶碳膜的微觀結(jié)構(gòu)。為了理解非晶碳膜的微結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，人們還將N、H、P、B、Si等元素?fù)诫s在非晶碳膜中以研究摻雜對非晶碳膜的微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理和物理特性的影響。結(jié)果表明摻雜對非晶碳膜的微結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)具有重要的影響。近來，基于碳/硅異質(zhì)結(jié)，利用鈀膜作為催化層，我們開發(fā)出了一種具有氫氣敏感特性的鈕/硼摻雜碳膜/娃異質(zhì)結(jié)材料[Sens. Actuators B161 (2012) 1102],常溫下該異質(zhì)結(jié)的電容在IOOppm和純氫氣的氛圍中分別增長15%和86%。本發(fā)明中，我們通過對碳膜的摻雜和加入二氧化硅插層，優(yōu)化了鈀/碳/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能，從而制備了出高性能的氫氣敏感器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過對碳膜的摻雜和加入二氧化硅插層，優(yōu)化鈀/碳/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能，從而制備出具有優(yōu)異氫氣敏感效應(yīng)的鈀/碳/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，我們選取了厚度為0.5毫米的單晶硅片作為基底，保留其自然氧化層，清洗硅片以獲得干凈的表面，用直流磁控濺射方法在其表面上濺射一層鈀摻雜的非晶碳膜，獲得鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅結(jié)構(gòu)，之后，透過一個中空金屬罩，用直流磁控濺射方法在其表面上濺射一層鈀薄膜作催化層，從而獲得鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅結(jié)構(gòu)的新材料。該材料具有優(yōu)異的氫氣敏感特性，可用于制造氫氣敏感器件。該鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料可通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(I)將純度為99. 9%的石墨粉和一定量的純度為99. 9%鈀粉混合、冷壓獲得含有O 5%原子數(shù)含量的鈀元素的鈀-石墨復(fù)合靶。(2)依次用乙醇、丙酮在超聲波中清洗硅片5分鐘，去離子水清洗硅片I分鐘。(3)將清洗好的硅基片放入濺射室，開啟抽真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。(4)當(dāng)背景真空為2 X10-4帕?xí)r，通入氬氣，并維持3帕的壓強(qiáng)，待氣壓穩(wěn)定后，開始用摻鈀的石墨復(fù)合靶濺射，濺射直流電壓為O. 40千伏，濺射直流電流為O. 12安培，濺射時間為30至120分鐘，濺射溫度為室溫至400°C。(5)濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度較高的環(huán)境下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫。(6)當(dāng)背景真空為2 X10-4帕?xí)r，通入氬氣，并維持3帕的壓強(qiáng)，待氣壓穩(wěn)定后，開始用純度為99. 9%鈀靶濺射，濺射直流電壓為O. 26千伏，濺射直流電流為O. 20安培，濺射時間為I至5分鐘，濺射溫度為室溫。(7)濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度較高的環(huán)境下保持2小時，然后取出樣品。這樣由上述過程即可獲得鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料，該材料具有優(yōu)異的氫氣敏感效應(yīng)。例如，室溫條件下，該材料的電阻在4%濃度的氫氣中比在空氣中增加16000%，響應(yīng)時間約為100秒，恢復(fù)時間約為10秒。本發(fā)明所提供的鈀/碳/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料，可以用其開發(fā)優(yōu)異的氫氣敏感器件，該器件無需加熱器，能在室溫下工作，耗能低，工藝簡單，靈敏度高，響應(yīng)、恢復(fù)時間短。


圖1依據(jù)本發(fā)明所提供的鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的氫氣傳感器示意圖。圖2依據(jù)本發(fā)明提供的鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的氫氣傳感器在室溫下、純氫氣中的敏感性能測試結(jié)果。圖3依據(jù)本發(fā)明提供的鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的氫氣傳感器在室溫下不同濃度的氫氣中的敏感性能測試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例1，將純度為99. 9%的石墨粉和少量的純度為99. 9%鈀粉混合、冷壓獲得鈀的原子數(shù)含量為1. 2%的鈀-石墨復(fù)合靶。用磁控濺射的方法將鈀-碳復(fù)合靶濺射到一塊厚度為O. 5毫米的保留自然氧化層2的硅晶片I上，如附圖1，在硅晶片上形成一層厚度為100納米的鈀摻雜碳薄膜3，再用磁控濺射的方法在鈀摻雜碳薄膜3上濺射一層鈀薄膜4，厚度為15納米,娃晶片和碳薄膜的面積均為IcmX Icm,鈕I薄膜的面積為O. 5cmX0. 5cm。鈕I薄膜4和銦金屬層5分別作為上、下電極，在6、7接點(diǎn)處連接電源線，串聯(lián)接通直流電源8和電流表9，直流電源8的電壓為O. 5伏。這樣，一種具有鈀/鈀摻雜碳膜/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的氫氣傳感器制備完畢，其制備參數(shù)為(I)鈀摻雜碳薄膜濺射直流電壓為O. 40千伏，濺射直流電流為O. 12安培，濺射沉積溫度為360°C，濺射時間為90分鐘。(2)鈀薄膜濺射直流電壓為O. 26千伏，濺射直流電流為O. 20安培，濺射沉積溫度為室溫，濺射時間為2分鐘。對樣品在室溫下的電阻對純氫氣和空氣的敏感性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明在純氫氣氛圍下，樣品的電阻比空氣中增加約60000%。對樣品在室溫下的電阻對不同濃度的氫氣和空氣的敏感性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明在4%的氫氣氛圍下，樣品的電阻比空氣中增加約16000%，響應(yīng)時間約為100秒，恢復(fù)時間約為10秒。
權(quán)利要求
1. 一種對氫氣敏感的鈀/碳/ 二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料 其特征是，鈀/碳/二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)異氫氣敏感效應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有優(yōu)異氫氣敏感效應(yīng)的鈀/碳/二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)材料，該材料是通過對碳膜的摻雜和加入二氧化硅插層的方法，優(yōu)化了鈀/碳/二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能，從而制備出具有優(yōu)異氫氣敏感效應(yīng)的鈀/鈀摻雜碳膜/二氧化硅/硅異質(zhì)結(jié)新材料。該材料可以用于開發(fā)性能優(yōu)異的氫氣敏感器件，該器件無需加熱器，能在室溫下工作，且具有耗能低，工藝簡單，靈敏度高，響應(yīng)、恢復(fù)時間短的特點(diǎn)，在氣體探測領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/35GK103048362SQ20131001825
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者薛慶忠, 杜永剛, 張忠陽, 夏富軍, 雷拓, 韓治德 申請人:中國石油大學(xué)(華東)