基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法及氢气传感器

【】本发明属于氢气传感器，具体尤其涉及基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法及氢气传感器。

背景技术

0、背景技术：

1、氢气传感器是一种用于检测氢气浓度的器件，常见的工作原理有：基于如氧化锌、氧化钛等金属氧化物或如钨氧化物等金属半导体的敏感材料与氢气的吸附效应，或基于钯或钯合金的纳米结构与氢气的吸附反应，引起电阻率或其他电学性质变化，从而实现氢气浓度的检测。基于纳米结构的氢气传感器，其纳米结构材料的高表面积与体积比是影响氢气传感器性能的关键因素，常见的制备方法有自组装法、溶剂热法和物理/化学气相沉积法。

2、但这些方法在制备基于高比表面积纳米线氢气传感器方面存在困难，从而影响了氢气传感器的性能，如：自组装法难以精确控制纳米线的尺寸与形态；溶剂热法需要精确控制溶剂的化学组成和如温度等反应条件才能获得所需的纳米线；物理气相沉积法需要复杂的工艺控制才可能实现纳米线的特定取向与排列；而化学气相沉积法需要精确控制气体的流量与反应条件，且难以保持纳米线的性能。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，解决目前制备方法难制备出具有高比表面积的中空纳米线结构的氢气传感器的问题。

2、本发明的另一个目的是提供氢气传感器。

3、基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，包括以下步骤：

4、s1、前处理：采用含有蚀刻剂与氧化剂的蚀刻溶液处理双层悬空纳米结构纳米材料，得到单层纳米结构纳米材料，所述单层纳米结构纳米材料包括有衬底，与衬底一侧连接的金属孔层与金属颗粒层4，所述金属孔层设有多个金属孔，所述金属颗粒层4设有多个金属颗粒，每个所述金属孔处设有金属颗粒；

5、s2、金属辅助化学蚀刻：步骤s1所述单层纳米结构继续与所述蚀刻溶液反应，通过所述金属颗粒层4、所述金属孔层与所述衬底，在所述衬底上形成空心纳米线，得到具有空心纳米线的纳米材料；

6、s3、金属去除：采用金属溶解液去除步骤s2所述具有空心纳米线的纳米材料中的金属；

7、s4、薄膜沉积：采用镀膜机，在真空条件下，向步骤s3所述具有空心纳米线的纳米材料沉积一定厚度的氢敏材料，所述氢敏材料覆盖所述空心纳米线内外表面与所述衬底表面；

8、s5、电极制备：采用镀膜机，在真空条件下，向步骤s4所述具有空心纳米线的纳米材料沉积一定厚度的用于形成电极的金属材料，所述电极位于所述空心纳米线两端，得到基于空心纳米线结构的氢气传感器。

9、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，步骤s1所述金属颗粒的直径小于所述金属孔的直径。

10、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，步骤s2所述空心纳米线的厚度为所述金属孔的直径与所述金属颗粒的直径之差。

11、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，步骤s1所述金属孔层与所述金属颗粒层4的材料为同种金属材料。

12、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，步骤s1所述衬底材料为单晶硅材料。

13、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，步骤s1所述蚀刻剂为氢氟酸，所述氧化剂为过氧化氢。

14、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，所述蚀刻溶液为氢氟酸、过氧化氢与异丙醇的混合溶液。

15、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，所述氢氟酸、过氧化氢与异丙醇的体积比为10:20:10。

16、如上所述的基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，步骤s4与步骤s5所述真空条件范围为低于5.1×10-4pa。

17、由所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法制备得到的氢气传感器。

18、本发明提出了基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法。首先，选用双层悬空纳米结构纳米材料，采用蚀刻溶液快速溶解所述纳米材料中用于支撑所述双层悬空纳米结构的支撑材料，得到单层纳米结构纳米材料，所述单层结构由金属孔层与金属颗粒层4组成，所述金属孔层设有多个金属孔，所述金属颗粒层4设有多个金属颗粒，每个所述金属孔处设有金属颗粒，由于金属颗粒的直径小于金属孔的直径，所以金属孔与金属颗粒之间存在空隙，所述空隙用于后续形成空心纳米线结构。第二，采用金属辅助化学蚀刻这种低成本工艺制备具有中空结构的空心硅纳米线，金属孔层与金属颗粒层4作为金属催化剂，氧化剂先在金属催化剂表面被还原，并通过金属催化剂向硅衬底注入空穴，使得金属/硅界面的硅被氧化，并被蚀刻剂溶解；随着蚀刻时间的增加，金属催化剂逐渐沉入硅衬底中，使得所述硅衬底上形成中空的空心硅纳米线。最后，采用金属溶解液去除纳米材料中残余的金属，再采用镀膜机，进行薄膜沉积与电极制备，即可获得基于空心硅纳米线结构的氢气传感器。

19、本发明基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，操作简单，成本低，选用双层悬空纳米结构纳米材料，先采用蚀刻溶液形成单层纳米结构纳米材料，再采用金属辅助化学蚀刻工艺，形成空心纳米线结构，从而进一步制备得到具有高比表面积的基于空心硅纳米线结构氢气传感器，解决了目前制备方法难制备出具有高比表面积的中空纳米线结构的氢气传感器的问题。

20、本发明氢气传感器，具有独特的空心纳米线结构，相对于实心纳米线结构，具有高比表面积，并提供更多的活性位点，这有助于提高传感器对氢气的吸附能力，从而显著提升传感器与检测灵敏度。

技术特征：

1.基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：步骤s1所述金属颗粒的直径小于所述金属孔的直径。

3.根据权利要求2所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：步骤s2所述空心纳米线的厚度为所述金属孔的直径与所述金属颗粒的直径之差。

4.根据权利要求1所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：步骤s1所述金属孔层与所述金属颗粒层的材料为同种金属材料。

5.根据权利要求1所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：步骤s1所述衬底材料为单晶硅材料。

6.根据权利要求1所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：步骤s1所述蚀刻剂为氢氟酸，所述氧化剂为过氧化氢。

7.根据权利要求6所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：所述蚀刻溶液为氢氟酸、过氧化氢与异丙醇的混合溶液。

8.根据权利要求7所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：所述氢氟酸、过氧化氢与异丙醇的体积比为10:20:10。

9.根据权利要求1所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，其特征在于：步骤s4与步骤s5所述真空条件范围为低于5.1×10-4pa。

10.由权利要求1-9任一项所述基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法制备得到的氢气传感器。

技术总结本发明基于空心硅纳米线结构氢气传感器制备方法，操作简单，成本低，选用双层悬空纳米结构纳米材料，先采用蚀刻溶液形成单层纳米结构纳米材料，再采用金属辅助化学蚀刻工艺，形成空心纳米线结构，从而进一步制备具有高比表面积的基于空心硅纳米线结构氢气传感器。本发明还提供了氢气传感器。技术研发人员：赵志俊,徐先武,汪红波,余丙军,钱林茂受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12