一種具有氨氣敏感效應的二硫化鉬薄膜器件及其制備方法和應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種具有氨氣敏感效應的二硫化鉬薄膜器件及其制備方法和應用，該MoS2薄膜器件包括MoS2薄膜層、作為薄膜載體的半導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NH3的吸附作用，研制出具有對NH3敏感效應的MoS2薄膜器件。測試結(jié)果顯示：所制備的MoS2薄膜器件對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NH3響應隨氣體濃度的增加而線性增大；在測量范圍內(nèi)，該器件對NH3的響應可達到226.9％。同時，該MoS2薄膜器件對NH3響應具有響應速度快、狀態(tài)穩(wěn)定、周期重復性好等優(yōu)點。
【專利說明】一種具有氨氣敏感效應的二硫化鉬薄膜器件及其制備方法和應用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米半導體【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導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)敏感效應的二硫化鑰(MoS2)薄膜器件及其制備方法和應用。

【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)域獲得了廣泛應用。但同時NH3又是一種腐蝕和毒性氣體，對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，導致血液中氨濃度過高，甚至可危及人體生命。因此，對空氣和特定環(huán)境中的NH3及其含量進行快速、準確的原位監(jiān)測和測量，具有重大的應用價值，同時也具有重要的學術(shù)意義。近年來，國內(nèi)外對NH3傳感器的研制主要集中于半導體型、電化學型和紅外光學型等。在各種類型的NH3傳感器中，半導體型NH3傳感器具有制備工藝簡單、響應時間短、重復性好等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已成為應用最為廣泛的NH3傳感器之一。但同時現(xiàn)有的半導體型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雜性；需要借助貴金屬(Pt、Pd等)作為氣體吸附載體，這導致其成本大幅增加。為此，各種新型半導體材料不斷被應用于新型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具有兩個顯著的特征。首先，MoS2中各層內(nèi)以共價鍵緊密結(jié)合在一起，每個Mo原子被六個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)生擴散和遷移，從而增強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)域存在廣闊的應用前景。在NH3檢測方面，國內(nèi)外研究人員主要研究了單層MoS2材料對NH3的響應性能，結(jié)果顯示:單層MoS2材料對NH3具有優(yōu)良的響應性能。但單層MoS2在材料制備和器件加工方面的困難嚴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單，容易實現(xiàn)大面積生長。同時，以薄膜型態(tài)，有利于將MoS2材料與傳統(tǒng)半導體Si進行疊加集成，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道和應用。


【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導線。
[0010]一種具有氨氣敏感效應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，對其進行清洗，然后采用化學腐蝕方法去除清洗后Si襯底表面氧化層；
[0012](2)對去除表面氧化層的Si襯底進行干燥，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，每次清洗的時間長度為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氣將襯底吹干，氮氣純度為99.95% ;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，真空條件是由機械泵和分子泵雙級真空泵共同制得。
[0018]優(yōu)選的，步驟(4)中，所述金屬電極和導線材料分別是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導線直徑為0.1_。
[0019]上述具有氨氣敏感效應的二硫化鑰薄膜器件可在制備NH3傳感器件方面進行應用。
[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NH3的吸附作用，研制出具有對NH3敏感效應的MoS2薄膜器件。測試結(jié)果顯示:所制備的MoS2薄膜器件對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NH3響應隨氣體濃度的增加而線性增大；在測量范圍內(nèi)，該器件對NH3的響應可達到226.9%。同時，該MoS2薄膜器件對NH3響應具有響應速度快、狀態(tài)穩(wěn)定、周期重復性好等優(yōu)點。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加熱條件和貴金屬的依賴性，其制備方法簡單，成本低廉，并具有NH3響應性能顯著、重復性好、可靠性高等優(yōu)點，可廣泛應用于NH3檢測領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明:
[0023]圖1為所制備MoS2薄膜器件氣體敏感性能測量的結(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NH3的響應與NH3濃度之間的關(guān)系曲線。
[0027]圖5為所制備MoS2薄膜器件對NH3的周期響應性能。

【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明利用直流磁控濺射技術(shù)，在Si半導體襯底上沉積MoS2薄膜層，通過壓制金屬電極和連接金屬導線，形成MoS2薄膜器件。當暴露于NH3氣氛中，由于對NH3產(chǎn)生吸附，MoS2薄膜的載流子發(fā)生改變，這導致器件電流發(fā)生明顯變化，從而使所制備的MoS2薄膜器件對NH3表現(xiàn)出明顯的響應性能。
[0029]下面對MoS2薄膜器件的結(jié)構(gòu)、制備方法及應用進行詳細說明。
[0030]本發(fā)明MoS2薄膜器件結(jié)構(gòu)，包括MoS2半導體薄膜層和Si半導體襯底，Si襯底作為MoS2薄膜層的載體，MoS2薄膜層設置在Si襯底表面。Si襯底為P型Si單晶襯底，電阻率為I?ZQcm1，結(jié)晶取向為(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，對其進行清洗，然后采用化學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，每次清洗的時間長度為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)對去除表面氧化層的Si襯底進行干燥，然后覆蓋掩模片；所述Si襯底干燥過程是用干燥氮氣將襯底吹干，氮氣純度為99.5%;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，真空條件是由機械泵和分子泵雙級真空泵共同制得；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，并引出導線，制得MoS2薄膜器件。所述金屬電極和導線材料分別是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導線直徑為0.1mm。
[0038]上述具有NH3敏感效應的MoS2薄膜器件可在制備NH3傳感器件方面進行應用。
[0039]下面結(jié)合性能測量結(jié)果進一步說明本發(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)出明顯的不對稱特征，這主要是因為MoS2薄膜與Si形成p-n結(jié)。在NH3條件下，器件電流明顯增大:當電壓為+5V時，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NH3響應逐漸增大。在整個測量范圍內(nèi)，可分為三個電壓區(qū)域:1(0 (V〈0.8￥)，順3響應不明顯，為]\^2/^ p-n 結(jié)控制區(qū)；II (0.8 (V (3.2V),NH3響應快速增加區(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響應飽和區(qū)，為MoS2薄膜控制區(qū)?？梢钥闯?，當MoS2薄膜控制器件電輸運時，器件對NH3的響應最明顯。
[0043]圖4為所制備MoS2薄膜器件對NH3的響應與氣體濃度之間的關(guān)系曲線，測試電壓為+5V。如圖所示，所制備MoS2薄膜器件對不同濃度NH3均表現(xiàn)出了較明顯的響應性能。當NH3的體積濃度為100ppm時，器件響應為21.8%。隨著氣體濃度增大，器件響應線性增加。當NH3的體積濃度為1000ppm時，器件響應為226.9%。
[0044]圖5為所制備MoS2薄膜器件對NH3的響應性能，測試電壓為+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響應性能，具有響應速度快(5.0s)、狀態(tài)穩(wěn)定、重復性高等優(yōu)點。這些特征進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導線。
5.一種具有氨氣敏感效應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，對其進行清洗，然后采用化學腐蝕方法去除清洗后Si襯底表面氧化層； (2)對去除表面氧化層的Si襯底進行干燥，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，每次清洗的時間長度為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氣將襯底吹干，氮氣純度為99.95% ;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，真空條件是由機械泵和分子泵雙級真空泵共同制得。
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的二硫化鑰薄膜器件在制備NH3傳感器件方面的應用。
【文檔編號】G01N27/00GK104198532SQ201410450273
【公開日】2014年12月10日 申請日期: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 申請人:中國石油大學(華東)