專利名稱：一種包含一維納米材料敏感元件的傳感器的制備方法
技術領域：
本發明涉及制作傳感器的工藝方法，特別涉及一種包含有一維納米材料(納米管、 納米線、納米帶)敏感元件的傳感器的制備方法。
背景技術：
納米材料因其高靈敏性以及由納效應帶來的新的物理、化學效應，已成為最具潛力 的傳感材料之一。納米材料與作為納傳感器件載體的微結構的結合問題，即微納結合問 題，是充分發揮納米材料的傳感特性、構造納傳感器件的關鍵問題之一。
在使用一維納米材料構造傳感器時，常常需要將納米材料連接于金屬電極之上。在 利用各種方法(如電泳、微操作、直接生長等)將一維納米材料搭接于電極上時，納米 材料與金屬電極之間的接觸性能往往不佳，通常接觸電阻較大，且存在肖特基特性。為 避免這種情況，目前通常采用聚焦離子束誘導沉積(以下簡稱FIB)的方法在與電極接 觸處的納米材料上覆蓋一層金屬，以改善納米材料與電極的接觸性能(A. Vila, F. Hernandez-Ramirez, J. Rodriguez, et al. Fabrication of metallic contacts to nanometre-sized materials using a focused ion beam(FIB). Materials Science and Engineering C, 2006,26: 1063-1066)。但是由于離子的沖擊動量大，FIB方法常常會破壞納米材料的表面結構， 引起材料性能的變化。同時FIB工藝價格昂貴，操作難度大、速率低，給一維納米材料 在金屬電極上的可靠連接帶來困難。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術所存在的納米材料與電極的接觸性能不佳，且存 在肖特基特性的缺陷，以及克服現有聚焦離子束誘導沉積(FIB)方法可靠性差、成本
高的缺陷，從而提供一種包含有一維納米材料敏感元件的傳感器的制備方法。 本發明的一種包含一維納米材料敏感元件的傳感器的制備方法，首先在基片上制作
金屬電極對；其特征在于，將一維納米材料搭接在基片上的金屬電極對上后，利用金屬 電沉積技術在電極對上電沉積一層金屬層，該金屬層壓覆固定一維納米材料在金屬電極 對上，實現一維納米材料與電極間可靠接觸，形成包含一維納米材料敏感元件的傳感器。本發明所提供的方法，將附有具有足夠結合強度的一維納米材料的金屬電極表面電沉積 一層金屬，金屬沉積層的厚度根據以能夠完全覆蓋電極對上的一維納米材料為宜。 在上述的技術方案中，該方法可以包括以下具體步驟
1) 制作電極對采用半導體工藝在硅片上形成的金、銅、鉑或鎳的金屬電極對；
2) 在電極對上搭接非極性一維納米材料在步驟1)制得的硅片金屬電極對上搭接 一維納米材料；
3) 沉積的金屬層覆蓋將上述步驟2)搭接好一維納米材料的硅片放入電鍍槽中， 在金屬電極對表面上電沉積金屬層，直至一維納米材料搭接的兩端完全被所沉積的金屬 層覆蓋；
4) 將沉積完金屬層的硅片取出，清洗烘干，完成一維納米材料與金屬電極對的連 接，形成包含一維納米材料敏感元件的傳感器。
在上述的技術方案中，該方法在步驟2)中還包括-
當所搭接的一維納米材料為極性一維納米材料時，搭接完成后在金屬電極對上施加
直流或矩形方波電壓進行電吸附處理，使得金屬電極對之間的電阻值<107~1080，金屬
電極與一維納米材料之間實現歐姆接觸。
在上述的技術方案中，所述的直流電壓值為1~10V。所述的矩形方波電壓的峰-峰 值為1~10V，頻率為0.1 2000kHz。所述矩形方波電壓包括帶有偏置的對稱或不對稱的 矩形方波電壓。
在上述的技術方案中，所述步驟l)中的金屬電極對為金、銅、鉑或鎳制的金屬薄膜。
在上述的技術方案中，步驟2)中所述的在電極對上搭接一維納米材料，采用常規 的微操作的方法、介電電泳的方法或CVD直接生長的方法。
在上述的技術方案中，所述步驟3)電沉積的金屬包括具有良好導電性的銅、銀、 金、鉑或鈀。
本發明的優點在于
本發明提供的一種制備包含一維納米材料敏感元件的傳感器的方法，通過金屬電沉 積方法在一維納米材料與電極對上，采用電沉積方法沉積一層金屬層，起到壓覆、固定 一維納米材料以構造傳感器。該方法迅速、經濟的實現一維納米材料與金屬電極之間的 可靠連接，而在連接過程中對納米材料本身無任何損傷，可完整保持其自身性能。
本發明提供的制備包含一維納米材料敏感元件的傳感器的方法，還釆用將極性一維 納米材料與電極對搭接好后，進行電吸附處理，經過電吸附處理后的極性一維納米材料與金屬電極之間可實現歐姆接觸。電吸附處理后極性一維納米材料與金屬電極間的吸附 強度，可以承受電沉積工藝中極性一維納米材料進入電解液時，溶液表面張力對納米材 料的阻力，保證納米材料不漂移、不脫落。 該方法成本低，并可進行批量生產。
圖1是電吸附處理時極性一維納米材料與電極的結構示意圖。 圖2是本發明電沉積壓覆一維納米材料的示意圖。 圖面說明
1、硅片 2、金屬電極對 3、極性一維納米材料
4、 SiCh層 5、信號發生器 6、電鍍槽
7、陽極 8、電解液 9、電沉積金屬
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖詳細對本發明的制備方法進行說明 實施例1
本發明提供的極性一維納米材料在金屬電極上電吸附的工藝方法，包括以下步驟
1) 制作電極對本發明首先采用半導體工藝，例如真空鍍膜的方法或濺射方法等， 在硅片l的Si02層4上形成金、銅、鉑或鎳薄膜的金屬電極對2;
2) 在電極對上搭接極性一維納米材料在步驟l)制作的金屬電極對上，例如采用 微操作的方法或介電電泳的方法，將一維極性納米線(如氧化鋅、氧化鎵等)的兩端搭 接在金屬電極對上；
3) 使用信號發生器5，向己搭接好極性一維納米材料的金屬電極兩端，通以1 10V 直流電或矩形方波電壓(峰-峰電壓1~10V，頻率0.1 2000kHz) 5~10分鐘，所施加的 矩形方波電壓可以是各種偏置的對稱或不對稱矩形方波電壓；
4) 測量搭接回路的電阻判斷極性一維納米材料與金屬電極對之間的結合狀況，對
于一維納米材料與金屬電極對結合合格的備用電沉積金屬層。
5) 沉積金屬層覆蓋如圖1所示，將硅片1放入電鍍槽6中，使用鉑片陽極7，在 金、銅、鉑或鎳薄膜的金屬電極對2表面電沉積金層9約lpm，使一維極性納米線3 (如 氧化鋅、氧化鎵等)完全被所沉積金層9覆蓋，形成包含一維極性納米線敏感元件的傳 感器。實施例2
本實施例電吸附制備工藝同實施例1，具體區別在于一維納米材料為氧化鋅納米帶。
1) .如圖2所示，在硅片1的表面生長的金電極對2上，采用介電電泳的方法(交 流，頻率5MHz，電壓峰-峰值10V)搭接氧化鋅納米帶3;
2) .在上述步驟l)制作好的搭接了氧化鋅納米帶3的硅片1上，對金電極對2上 施加峰-峰值為IOV，頻率為400Hz的矩形方波電壓，施加時間為10分鐘；
3) .測量金電極對2之間的電阻，電阻<1070為合格；
4) .沉積的金屬層覆蓋如圖1所示，將硅片1放入電鍍槽6中，使用鉑片陽極7， 在金電極對2表面電沉積金層9約lpm，使氧化鋅納米帶3完全被所沉積金層9覆蓋， 形成包含一維納米材料敏感元件的傳感器。
本實施例進行電沉積金層9的電解液8選擇亞硫酸鹽鍍液，亞硫酸鹽鍍液配方
亞硫酸銨 金
檸檬酸鉀 PH
電沉積金層9的工藝如下: 溫度
陰極電流密度 時間
將硅片1取出，清洗烘干，
150 g/1 6g/1 80 g/1 8.5;
45 °C
0.5 A/dm2 10 min
完成氧化鋅納米帶3與金電極2的連接。
實施例3
本實施例制備的傳感器采用非極性一維納米材料碳納米管，在硅片上制備電極對和 搭接一維納米材料同實施例1相同，其不同之處在于如下.-
1) .采用CVD工藝直接生長的方法，利用氣流導向使碳納米管從硅片1邊緣的催 化劑橫向生長，實現在硅片1表面生長的鉑電極對2上搭接好碳納米管3;
2) .參考圖1，將上述步驟1)制作好的搭接了碳納米管3的硅片1放入電鍍槽6 中，使用不銹鋼陽極7，在鉑電極對2表面電沉積銅層9，直至碳納米管3完全被所沉 積銅層9覆蓋，形成包含一維納米材料敏感元件的傳感器；其中所沉積的銅層9厚度為 500nm。
本實施例進行電沉積銅層9的電解液8選擇焦磷酸鹽鍍液，焦磷酸鹽鍍液配方焦磷酸銅 60 g/1
焦磷酸鉀 280 g/1
檸檬酸銨 20 g/1
PH 8.5; 電沉積銅層9的工藝如下
溫度 30°C
陰極電流密度 lA/dm:
時間 5 min;
3).將硅片1取出，清洗烘干，完成碳納米管3與鉑電極2的連接。
權利要求
1、一種包含一維納米材料敏感元件的傳感器的制備方法，首先在基片上制作金屬電極對；其特征在于，將一維納米材料搭接于在基片上形成的金屬電極對上后，利用金屬電沉積技術在電極上電沉積一層金屬層，該金屬層壓覆固定一維納米材料在金屬電極對上，形成包含一維納米材料敏感元件的傳感器。
2、 根據權利要求1所述的傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:1) 采用半導體工藝在硅片上形成的金、銅、鉑或鎳的金屬電極對；2) 在硅片表面的金屬電極對上搭接一維納米材料；3) 將上述步驟2)制得的搭接好一維納米材料硅片放入電鍍槽中，在金屬電極對上 電沉積金屬層，直至一維納米材料搭接在電極對上的兩端完全被所沉積的金屬層覆蓋；4) 將硅片取出，清洗烘干，完成一維納米材料與金屬電極對的連接，形成包含一 維納米材料敏感元件的傳感器。
3、 根據權利要求2所述的傳感器的制備方法，其特征在于，在步驟2)中還包括 當所搭接的一維納米材料為極性一維納米材料時，搭接完成后在金屬電極對上施加直流或矩形方波電壓進行電吸附處理，使得金屬電極對之間的電阻值<107~1080，金屬 電極與一維納米材料之間實現歐姆接觸。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟l) 中的金屬電極對為金、銅、鉑或鎳材料制成的金屬薄膜。
5、 根據權利要求l、 2或3所述的傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟3) 電沉積的一層金屬包括具有導電性的銅、銀、金、鉑或鈀。
6、 根據權利要求2所述的傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟2)采用微操 作的方法、介電電泳方法或CVD直接生長的方法在金屬電極對上搭接一維納米材料。
7、 根據權利要求3所述的傳感器的制備方法，其特征在于，所述的施加直流電壓 值為1~10V。
8、 根據權利要求3所述的傳感器的制備方法，其特征在于，所述的施加矩形方波 電壓的峰-峰值為1~10V，頻率為0.1 2000kHz。
9、 根據權利要求3所述的傳感器的制備方法，其特征在于，所述的施加矩形方波 電壓包括帶有偏置的對稱或不對稱的矩形方波電壓。
全文摘要
本發明涉及一種包含有一維納米材料敏感元件的傳感器的制備方法，將一維納米材料搭接于基片上的金屬電極對上后，利用金屬電沉積技術壓覆固定一維納米材料，實現一維納米材料與電極間可靠接觸。該方法包括以下步驟1)采用半導體工藝在硅片上形成的金、銅、鉑或鎳的金屬電極對；2)在硅片表面的金屬電極對上搭接一維納米材料；3)將上述金屬電極對上搭接一維納米材料硅片表面上電沉積金屬層，直至一維納米材料搭接的兩端完全被所沉積的金屬層覆蓋；4)將硅片取出，清洗烘干，完成一維納米材料與金屬電極對的連接。本發明可迅速、經濟的實現一維納米材料與金屬電極之間的可靠連接，而對一維納米材料本身無任何損傷，并可進行批量生產。
文檔編號G01N27/00GK101308108SQ20071009916
公開日2008年11月19日 申請日期2007年5月15日 優先權日2007年5月15日
發明者周兆英, 旻 張, 興 楊 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
