专利名称：一种包含一维纳米材料敏感元件的传感器的制备方法
技术领域：
本发明涉及制作传感器的工艺方法，特别涉及一种包含有一维纳米材料(纳米管、 纳米线、纳米带)敏感元件的传感器的制备方法。
背景技术：
纳米材料因其高灵敏性以及由纳效应带来的新的物理、化学效应，已成为最具潜力 的传感材料之一。纳米材料与作为纳传感器件载体的微结构的结合问题，即微纳结合问 题，是充分发挥纳米材料的传感特性、构造纳传感器件的关键问题之一。
在使用一维纳米材料构造传感器时，常常需要将纳米材料连接于金属电极之上。在 利用各种方法(如电泳、微操作、直接生长等)将一维纳米材料搭接于电极上时，纳米 材料与金属电极之间的接触性能往往不佳，通常接触电阻较大，且存在肖特基特性。为 避免这种情况，目前通常采用聚焦离子束诱导沉积(以下简称FIB)的方法在与电极接 触处的纳米材料上覆盖一层金属，以改善纳米材料与电极的接触性能(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)。但是由于离子的冲击动量大，FIB方法常常会破坏纳米材料的表面结构， 引起材料性能的变化。同时FIB工艺价格昂贵，操作难度大、速率低，给一维纳米材料 在金属电极上的可靠连接带来困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的纳米材料与电极的接触性能不佳，且存 在肖特基特性的缺陷，以及克服现有聚焦离子束诱导沉积(FIB)方法可靠性差、成本
高的缺陷，从而提供一种包含有一维纳米材料敏感元件的传感器的制备方法。 本发明的一种包含一维纳米材料敏感元件的传感器的制备方法，首先在基片上制作
金属电极对；其特征在于，将一维纳米材料搭接在基片上的金属电极对上后，利用金属 电沉积技术在电极对上电沉积一层金属层，该金属层压覆固定一维纳米材料在金属电极 对上，实现一维纳米材料与电极间可靠接触，形成包含一维纳米材料敏感元件的传感器。本发明所提供的方法，将附有具有足够结合强度的一维纳米材料的金属电极表面电沉积 一层金属，金属沉积层的厚度根据以能够完全覆盖电极对上的一维纳米材料为宜。 在上述的技术方案中，该方法可以包括以下具体步骤
1) 制作电极对采用半导体工艺在硅片上形成的金、铜、铂或镍的金属电极对；
2) 在电极对上搭接非极性一维纳米材料在步骤1)制得的硅片金属电极对上搭接 一维纳米材料；
3) 沉积的金属层覆盖将上述步骤2)搭接好一维纳米材料的硅片放入电镀槽中， 在金属电极对表面上电沉积金属层，直至一维纳米材料搭接的两端完全被所沉积的金属 层覆盖；
4) 将沉积完金属层的硅片取出，清洗烘干，完成一维纳米材料与金属电极对的连 接，形成包含一维纳米材料敏感元件的传感器。
在上述的技术方案中，该方法在步骤2)中还包括-
当所搭接的一维纳米材料为极性一维纳米材料时，搭接完成后在金属电极对上施加
直流或矩形方波电压进行电吸附处理，使得金属电极对之间的电阻值<107~1080，金属
电极与一维纳米材料之间实现欧姆接触。
在上述的技术方案中，所述的直流电压值为1~10V。所述的矩形方波电压的峰-峰 值为1~10V，频率为0.1 2000kHz。所述矩形方波电压包括带有偏置的对称或不对称的 矩形方波电压。
在上述的技术方案中，所述步骤l)中的金属电极对为金、铜、铂或镍制的金属薄膜。
在上述的技术方案中，步骤2)中所述的在电极对上搭接一维纳米材料，采用常规 的微操作的方法、介电电泳的方法或CVD直接生长的方法。
在上述的技术方案中，所述步骤3)电沉积的金属包括具有良好导电性的铜、银、 金、铂或钯。
本发明的优点在于
本发明提供的一种制备包含一维纳米材料敏感元件的传感器的方法，通过金属电沉 积方法在一维纳米材料与电极对上，采用电沉积方法沉积一层金属层，起到压覆、固定 一维纳米材料以构造传感器。该方法迅速、经济的实现一维纳米材料与金属电极之间的 可靠连接，而在连接过程中对纳米材料本身无任何损伤，可完整保持其自身性能。
本发明提供的制备包含一维纳米材料敏感元件的传感器的方法，还釆用将极性一维 纳米材料与电极对搭接好后，进行电吸附处理，经过电吸附处理后的极性一维纳米材料与金属电极之间可实现欧姆接触。电吸附处理后极性一维纳米材料与金属电极间的吸附 强度，可以承受电沉积工艺中极性一维纳米材料进入电解液时，溶液表面张力对纳米材 料的阻力，保证纳米材料不漂移、不脱落。 该方法成本低，并可进行批量生产。
图1是电吸附处理时极性一维纳米材料与电极的结构示意图。 图2是本发明电沉积压覆一维纳米材料的示意图。 图面说明
1、硅片 2、金属电极对 3、极性一维纳米材料
4、 SiCh层 5、信号发生器 6、电镀槽
7、阳极 8、电解液 9、电沉积金属
具体实施例方式
下面结合实施例及附图详细对本发明的制备方法进行说明 实施例1
本发明提供的极性一维纳米材料在金属电极上电吸附的工艺方法，包括以下步骤
1) 制作电极对本发明首先采用半导体工艺，例如真空镀膜的方法或溅射方法等， 在硅片l的Si02层4上形成金、铜、铂或镍薄膜的金属电极对2;
2) 在电极对上搭接极性一维纳米材料在步骤l)制作的金属电极对上，例如采用 微操作的方法或介电电泳的方法，将一维极性纳米线(如氧化锌、氧化镓等)的两端搭 接在金属电极对上；
3) 使用信号发生器5，向己搭接好极性一维纳米材料的金属电极两端，通以1 10V 直流电或矩形方波电压(峰-峰电压1~10V，频率0.1 2000kHz) 5~10分钟，所施加的 矩形方波电压可以是各种偏置的对称或不对称矩形方波电压；
4) 测量搭接回路的电阻判断极性一维纳米材料与金属电极对之间的结合状况，对
于一维纳米材料与金属电极对结合合格的备用电沉积金属层。
5) 沉积金属层覆盖如图1所示，将硅片1放入电镀槽6中，使用铂片阳极7，在 金、铜、铂或镍薄膜的金属电极对2表面电沉积金层9约lpm，使一维极性纳米线3 (如 氧化锌、氧化镓等)完全被所沉积金层9覆盖，形成包含一维极性纳米线敏感元件的传 感器。实施例2
本实施例电吸附制备工艺同实施例1，具体区别在于一维纳米材料为氧化锌纳米带。
1) .如图2所示，在硅片1的表面生长的金电极对2上，采用介电电泳的方法(交 流，频率5MHz，电压峰-峰值10V)搭接氧化锌纳米带3;
2) .在上述步骤l)制作好的搭接了氧化锌纳米带3的硅片1上，对金电极对2上 施加峰-峰值为IOV，频率为400Hz的矩形方波电压，施加时间为10分钟；
3) .测量金电极对2之间的电阻，电阻<1070为合格；
4) .沉积的金属层覆盖如图1所示，将硅片1放入电镀槽6中，使用铂片阳极7， 在金电极对2表面电沉积金层9约lpm，使氧化锌纳米带3完全被所沉积金层9覆盖， 形成包含一维纳米材料敏感元件的传感器。
本实施例进行电沉积金层9的电解液8选择亚硫酸盐镀液，亚硫酸盐镀液配方
亚硫酸铵 金
柠檬酸钾 PH
电沉积金层9的工艺如下: 温度
阴极电流密度 时间
将硅片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
完成氧化锌纳米带3与金电极2的连接。
实施例3
本实施例制备的传感器采用非极性一维纳米材料碳纳米管，在硅片上制备电极对和 搭接一维纳米材料同实施例1相同，其不同之处在于如下.-
1) .采用CVD工艺直接生长的方法，利用气流导向使碳纳米管从硅片1边缘的催 化剂横向生长，实现在硅片1表面生长的铂电极对2上搭接好碳纳米管3;
2) .参考图1，将上述步骤1)制作好的搭接了碳纳米管3的硅片1放入电镀槽6 中，使用不锈钢阳极7，在铂电极对2表面电沉积铜层9，直至碳纳米管3完全被所沉 积铜层9覆盖，形成包含一维纳米材料敏感元件的传感器；其中所沉积的铜层9厚度为 500nm。
本实施例进行电沉积铜层9的电解液8选择焦磷酸盐镀液，焦磷酸盐镀液配方焦磷酸铜 60 g/1
焦磷酸钾 280 g/1
柠檬酸铵 20 g/1
PH 8.5; 电沉积铜层9的工艺如下
温度 30°C
阴极电流密度 lA/dm:
时间 5 min;
3).将硅片1取出，清洗烘干，完成碳纳米管3与铂电极2的连接。
权利要求
1、一种包含一维纳米材料敏感元件的传感器的制备方法，首先在基片上制作金属电极对；其特征在于，将一维纳米材料搭接于在基片上形成的金属电极对上后，利用金属电沉积技术在电极上电沉积一层金属层，该金属层压覆固定一维纳米材料在金属电极对上，形成包含一维纳米材料敏感元件的传感器。
2、 根据权利要求1所述的传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:1) 采用半导体工艺在硅片上形成的金、铜、铂或镍的金属电极对；2) 在硅片表面的金属电极对上搭接一维纳米材料；3) 将上述步骤2)制得的搭接好一维纳米材料硅片放入电镀槽中，在金属电极对上 电沉积金属层，直至一维纳米材料搭接在电极对上的两端完全被所沉积的金属层覆盖；4) 将硅片取出，清洗烘干，完成一维纳米材料与金属电极对的连接，形成包含一 维纳米材料敏感元件的传感器。
3、 根据权利要求2所述的传感器的制备方法，其特征在于，在步骤2)中还包括 当所搭接的一维纳米材料为极性一维纳米材料时，搭接完成后在金属电极对上施加直流或矩形方波电压进行电吸附处理，使得金属电极对之间的电阻值<107~1080，金属 电极与一维纳米材料之间实现欧姆接触。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤l) 中的金属电极对为金、铜、铂或镍材料制成的金属薄膜。
5、 根据权利要求l、 2或3所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3) 电沉积的一层金属包括具有导电性的铜、银、金、铂或钯。
6、 根据权利要求2所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)采用微操 作的方法、介电电泳方法或CVD直接生长的方法在金属电极对上搭接一维纳米材料。
7、 根据权利要求3所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述的施加直流电压 值为1~10V。
8、 根据权利要求3所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述的施加矩形方波 电压的峰-峰值为1~10V，频率为0.1 2000kHz。
9、 根据权利要求3所述的传感器的制备方法，其特征在于，所述的施加矩形方波 电压包括带有偏置的对称或不对称的矩形方波电压。
全文摘要
本发明涉及一种包含有一维纳米材料敏感元件的传感器的制备方法，将一维纳米材料搭接于基片上的金属电极对上后，利用金属电沉积技术压覆固定一维纳米材料，实现一维纳米材料与电极间可靠接触。该方法包括以下步骤1)采用半导体工艺在硅片上形成的金、铜、铂或镍的金属电极对；2)在硅片表面的金属电极对上搭接一维纳米材料；3)将上述金属电极对上搭接一维纳米材料硅片表面上电沉积金属层，直至一维纳米材料搭接的两端完全被所沉积的金属层覆盖；4)将硅片取出，清洗烘干，完成一维纳米材料与金属电极对的连接。本发明可迅速、经济的实现一维纳米材料与金属电极之间的可靠连接，而对一维纳米材料本身无任何损伤，并可进行批量生产。
文档编号G01N27/00GK101308108SQ20071009916
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者周兆英, 旻 张, 兴 杨 申请人:清华大学