一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器

本发明属于传感器，特别涉及一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器。

背景技术：

1、近期，基于修饰碳纳米管的气体传感器，因其具有室温工作条件、功耗低的同时具有高灵敏度的特点，成为气体传感器的研究热点。但是使用碳纳米管进行传感的一大重要手段为化学修饰，将不同的敏感基团通过化学键或范德华力等手段结合到碳管附近，从而实现调控碳纳米管的传感性能。由于敏感基团和碳纳米管自身的化学性质限制，导致无法对碳纳米管的传感性能进行十分平滑和细致的调控。基于传统制造方法的碳纳米管传感器，每次制造由于敏感分子与碳纳米管的结合会有细微差异，导致信号随机性大、信噪比低、重复性与可靠性差的问题。上述问题可归因于敏感分子与碳纳米管结合后的细微差异导致其电子分布状态有差异，能级出现变化，导致信号出现波动，灵敏度降低等情况。因此使用非化学的手段对敏感体系的能级进行精细化控制十分必要。

2、目前，cn103094347a描述了一种双材料欠叠异质栅结构的碳纳米管场效应管，该器件对碳纳米管本身进行掺杂并调控，不涉及化学修饰与气体传感。cn107819037b描述了一种应用碳纳米管作为导电沟槽的鳍式场效应管及其制备方法，该器件使用鳍式源极与漏极，并使用栅极对碳纳米管电学性能进行调控，不涉及化学修饰与气体传感。cn115629115a描述了基于碳纳米管场效应管生物传感器的制备方法及应用，该器件涉及碳纳米管dna修饰应用于生物传感，但未涉及使用栅极调控碳纳米管的传感性能。以上器件只关注碳纳米管化学调控或电学中调控其中一种调控方式，无法兼具二者优点。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，该气体传感器使用间隔调控栅极设计，结合碳纳米管化学调控与电学调控的优点，对碳纳米管-硅异质结体系的气体传感性能进行优化，形成可调控的传感单元且传感性能优异。

2、本发明提供了一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，所述场效应管气体传感器包括：

3、提供一单晶硅片；

4、电极沉积在所述单晶硅片两侧；

5、重掺杂区域设置在所述电极下方，两侧的重掺杂区域与中间区域的单晶硅片形成npn或pnp三极管，可以对中间区域的微小电学性质变化进行放大效应；

6、间隔调控栅极间隔排列地沉积在电极中间区域，在所述间隔调控栅极下设置有绝缘层用于隔离；

7、碳纳米管沉积在所述间隔调控栅极形成的间隔中，且厚度小于所述绝缘层的高度；

8、敏感材料设置在所述碳纳米管表面，与所述碳纳米管紧密复合形成有机敏感单元，所述有机敏感单元与接触的单晶硅片共同组成碳纳米管-硅异质结传感体系。

9、优选地，所述单晶硅片为带有掺杂杂质的n型或p型单晶硅衬底。

10、优选地，所述电极使用金、铜或铝与其他微量金属元素形成的合金组成。

11、优选地，所述调控间隔栅极由多条间隔的条形栅极组成，所述条形栅极间距与自身宽度成一定比例，该比例为几倍到几十倍之间。条形栅极间距应为亚微米到几十微米之间。

12、优选地，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅、碳化硅、钛酸钡、钽酸钡中的一种或几种。

13、优选地，所述敏感材料为tal-x，结构式如下所示：

14、。

15、所述敏感材料的浓度范围为0.01μg/ml至1mg/ml。优选的浓度为0.05μg/ml。

16、本发明中由于敏感材料和碳纳米管的相互作用力，敏感材料小分子通过范德华力、静电作用、氢键、π键等相互作用与固定参数的碳纳米管通过非共价键结合后，沉积在电极中间区域形成碳纳米管-硅异质结传感层。由于上述敏感材料与碳纳米管复合后会改变碳纳米管的电子分布，改变碳纳米管的费米能级，与硅表面结合后其整体的电子分布会再次重排，导致费米能级进一步发生改变。这种费米能级的变化导致了碳纳米管-硅异质结的电学性能改变，这种改变反映在电阻、电容等电学参数上。敏感材料与碳纳米管结合后的费米能级改变与碳纳米管与硅结合后的费米能级改变存在一定随机性，对传感性能有不利影响。因此使用间隔调控栅极对该碳纳米管-硅异质结体系最终费米能级进行调控，通过电阻、电容等电学参数变化反映出气体的浓度信息，且可根据该传感单元研制传感器阵列。

17、有益效果

18、本发明使用间隔调控栅极设计，结合碳纳米管化学调控与电学调控的优点，对碳纳米管-硅异质结体系的气体传感性能进行优化，形成可调控的传感单元且传感性能优异。与现有的碳纳米管气体传感器相比，可以使用电学手段实时调控碳纳米管体系的传感性能，对气体检测灵敏度进行优化，通过将传感单元阵列化可使气体选择性进一步提升，具有良好的应用前景。

1.一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，其特征在于，所述场效应管气体传感器包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，其特征在于，所述单晶硅片为带有掺杂杂质的n型或p型单晶硅衬底。

3.根据权利要求1所述的一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，其特征在于，所述电极使用金、铜或铝与其他微量金属元素形成的合金组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，其特征在于，所述调控间隔栅极由多条间隔的条形栅极组成，所述条形栅极间距与自身宽度成一定比例，该比例为几倍到几十倍之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅、碳化硅、钛酸钡、钽酸钡中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种基于间隔栅可调控碳纳米管-硅异质结场效应管气体传感器，其特征在于，所述敏感材料为tal-x。