多孔矽負載一維氧化鎢納米棒氣敏材料

隨著工業技術的飛速發展與人們生活水準的不斷提高，生產生活過程中帶來的各種氣體污染物大量增加，大量有毒有害氣體及可燃性氣體在污染環境的同時也嚴重威脅著人類的健康和安全。如何快速有效檢測各種有毒有害氣體的檢測受到了人們的重視。

近年來，氧化鎢被認為是極有研究與應用前景的半導體氣敏材料。氧化鎢屬n型寬禁帶半導體，在氣體感測器、光電器件以及光催化等領域均有廣泛的應用，尤其是作為一種高性能氣敏材料，可以高靈敏度地探測各種有毒和危險性氣體，如NO₂、H₂S、Cl₂、 NH₃等。

然而，氧化鎢工作溫度在200°C～250°C，遠高於室溫的這一特點使得基於氧化鎢氣敏感測器結構需要考慮加熱裝置，這極大的增加了感測器的功耗。有研究表明，一維氧化鎢納米結構與傳統的氧化鎢材料相比，其具有更大的比表面積，更大的表面活性以及更強的氣體吸附能力，從而能加快與氣體之間的反應，在進一步提高靈敏度的同時，對於降低工作溫度具有重要意義。

多孔矽是一種在矽片表面通過腐蝕形成的孔徑尺寸、孔道深度和孔隙率可調的多孔性 疏鬆結構材料，室溫下即具有很高的表面活性，可檢測NO2、NH3、H2S及多種有機氣體，將一維納米氧化鎢負載於多孔矽之上，可謂天作之合，氣敏性能無敵天下。多孔矽負載一維氧化鎢納米棒的過程如下：

（1）清洗矽基片襯底

將電阻率為10～15Ω•cm的p型單晶矽基片單面拋光，分別經過濃硫酸與過氧化氫混合溶液浸泡30～50分鐘、氫氟酸水溶液浸泡20～40分鐘、丙酮溶劑超聲清洗5～15分鐘、無水乙醇超聲清洗5～15分鐘、去離子水中超聲清洗5～15分鐘，以除去表面油污、有機物雜質以及表面氧化層；

（2）製備多孔矽

採用雙槽電化學腐蝕法在清洗過的矽基片拋光表面製備多孔矽層，所用腐蝕電解液由品質濃度為40%的氫氟酸與品質濃度為40%的二甲基甲醯胺組成，體積比為1：2，不添加表面活性劑和附加光照，施加的腐蝕電流密度為50～120mA/cm2，腐蝕時間為5～20min；

（3）製備多孔矽與氧化鎢納米棒複合結構

將步驟(2)製備的矽基多孔矽置於水準管式爐中，利用化學氣相沉積的方法，鎢粉作為鎢源，以氬氣作為工作氣體，氧氣作為反應氣體，氣體流量分別控制為10～20sccm和0.5～5sccm，本體真空度為1～5Pa，調節進氣閥門使得爐內壓強保持在50～80Pa；基片與鎢粉之間的距離為14～20cm；以10℃/min的速度加熱到反應溫度1100～1300度，恒溫90～120分鐘後，關閉管式爐電源，在混合氣體氣氛下降至室溫，在多孔矽表面以及孔洞內部沉積長氧化鎢納米棒，制得多孔矽基氧化鎢納米棒複合結構。

（4）製備多孔矽與氧化鎢納米棒複合結構氣敏感測器元件

將步驟(3)中制得的多孔矽基氧化鎢納米棒複合結構置於超高真空對靶磁控濺射設備的真空室。採用金屬鉑作為靶材，以氬氣作為工作氣體，氬氣氣體流量為20～25sccm，濺射工作壓強為2.0Pa，濺射功率80～90W，濺射時間8～12min，基片溫度為室溫，在氧化鎢納米棒表面沉積鉑電極，製成氣敏感測器元件。

多孔矽負載一維氧化鎢納米棒，形成具有大的比表面積和氣體擴散通道的多孔矽與氧化鎢納米棒的複合結構，非常適用于作為氣敏感測器元件。該氣敏元件在室溫條件下，能夠準確探測的最低NO₂氣體濃度為250ppb，其能達到的靈敏度為1.21。

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