吸附尿素的多孔硅中电性质研究检测方案(电化学工作站)

Sep.2008Vol.23 No.32008年9月第23卷 第3期山东师范大学学报(自然科学版)Journal of Shandong Normal University(Natural Science) 第3期李怀祥，等：吸附尿素的多孔硅结构电性质研究第23卷 吸附尿素的多孔硅结构电性质研究 李怀祥 薛 亮 陈鲁生 崔洪泰 (山东师范大学化学化工与材料科学学院，250014，济南/第一作者51岁，男，教授) 摘要 电阻率为15~20Qcmn型单晶硅在氢氟酸-乙醇溶液中通过光电化学阳极氧化刻蚀后，再经过光氧化处理得到稳定化的多孔硅(porous silicon， PS).在 PS结构基础上通过真空蒸镀金属铝(Al)层形成 Al/PS/Si/A1纵向结构和PS两端镀铝的Al-PS-Al 横向结构.利用多孔硅高比表面积对不同浓度尿素进行吸附后，得到Al/PS-urea/Si/Al or Al- PS- urea-Al结构.研究了上述两种结构的电流电压的半对数关系，结果表明lgI~V曲线与被吸附尿素的含量呈递减关系，浸泡PS的尿素溶液浓度在1 ug ml-1~1mgml范围内呈线性递减关系.基于这两种结构的多孔硅器件有望实现对尿素的传感. 关键词 多孔硅：；尿素； 光电化学； 传感器 中图分类号 TP212.2 多孔硅的表面形貌，是衡量其性能的主要标准之一，而光电化学刻蚀制备的多孔硅的表面形貌可以通过调节反应条件来加以控制，因此在传感器领域有着广泛的应用.近年来国内外已开展了多孔硅在传感器方面的应用研究，涉及光电子学和生物学领域1~21.此外，关于表面形态的电化学行为的传感也得到越来越多研究13~5] 本文通过Al/PS/Si/Al纵向结构和Al-PS-Al横向结构这两种器件对不同浓度尿素的直接吸附，测量吸附后两种结构的lgI~V的曲线关系，显示了对尿素的传感性. 1 实 验 1.1 多孔硅的制备 电阻率为15~20cm的n型单晶硅抛光片，40%HF腐蚀 10 min ，去离子水冲洗吹干，背面蒸铝以形成良好的欧姆接触.抛光面为阳极，铂作对电极，极氟酸-乙醇溶液(1：1，V/V)为电解液，在50W的碘钨灯光照条件下，控制电流密度50 mA cm²， 电解 5 min ，完毕.依次用无水乙醇，去离子水冲洗吹干. 1.2 光氧化稳定性处理多孔硅 将制备的多孔硅浸入3%HC1与无水乙醇的混合液(1：1，V/V)，用250W高压汞灯光照30 min 后取出依次用无水乙醇，去离子水清洗得到光氧化稳定性处理的多孔硅. 1.3 尿素的吸附与电性能测量 在光氧化稳定处理的多孔硅顶层上蒸镀厚度约2um，直径约为0.2cm的铝层，形成如图1所示的纵向 Al/PS/Si/Al结构.如果光氧化稳定处理的多孔硅顶层上蒸镀两个铝电极点，则得到如图2所示的横向 Al-PS-Al结构. 图1 Al/ PS/ Si/Al结构示意图 图2 Al-PS-A1结构示意图 将这两种不同结构的多孔硅经过不同浓度的尿素溶液浸泡吸附20 min 后用去离子水浸泡5 min ，洗去其表面未被吸附的尿素，自然晾干得到吸附尿素后的Al/PS-urea/Si/Al纵向结构和Al-PS- urea-Al 横向结构.用天津兰力科化公司生产的LK2005 型电化学工作站分别依次测量这两种结构对应的lgI~V关系. 2 结果与讨论 2.1 多孔硅的扫描电镜显微(SEM)照片 图3是在放大4万倍后的扫描电镜图，纳米结构明显，孔径比较均匀，实验表明，通过改变实验条件，制备的多孔硅的孔径可达5~10 nm. ( 2.2 2 两种器件结构对应的电流(~电压(V)关系 根据制备的器件原型结构可以知道，Al/PS/Si/Al结构中存在三种结： ) ( *国家自然科学基金资助项目(60671010)；山东省自然科学基金资助项目(Y2006B29) ) ( 收稿日期：2008-04-06 ) 2. 3 Al/PS/Si/A1结构多孔硅电流(I)~浓度(C)关系 Al/PS/Si/Al结构的多孔硅在不同的尿素浓度浸泡后，测量其lgI~V之间的关系，随着尿素浓度的增大，多孔硅对尿素分子的吸附量增大.在同一电压条件下，随着尿素浓度的增大，lgI值逐渐减小.图5给出了Al/PS/Si/Al结构在给定电压(0.4，0.6，0.8，1.0V下，电流与不同浓度尿素溶液的关系，对于相同浓度的尿素溶液，电压越大，对应的电流越大，同一电压 图3 多孔硅的SEM照片 图5 在给定电压下Al/PS/Si/Al 下，浓度越大，电 结构的电流和尿素浓度的关系 流越小. 图6 在给定电压下Al-PS-A1结构的电流与尿素浓度的关系 从上面的结果看出：PS表面对尿素吸附后导致导电能力降低，以纳米结构为主的多孔硅表面有很强的化学活性，可以对其它物质产生物理吸附或化学吸附，除Hz分子外，表面硅原子与吸附物质间均产生明显的相互成键作用键作1.当多孔硅层被尿素浸泡后，尿素分子被吸附到多孔硅的表面，产生直接吸附作用的表面硅原子和其它硅原子的键被削弱，改变了多孔硅能隙间的量子限制效应，这一点也可以从多孔层吸附尿素后其发光性能减弱或消失说明，由于PS和尿素分子的相互作用，使PS的表面成为复杂的活性含能层，表面介电常数发生变化，相应的表面态也发生变化，随着尿素吸附量的增加，导电能力降低. 2.4 Al-PS-Al结构的多孔硅电流(I)~浓度(C)关系 Al-PS-Al结构的多孔硅在不同浓度尿素溶液浸泡后测量其 lgI~V关系，在同一电压条件下，随着尿素浓度的增大，lgI值逐渐减小.图6给出了该结构尿素浓度和电流在给定电压(0.4，0.6，0.8，1.0V)下的关系，它和Al/PS/Si/A1结构显示了类似的对应关系.同一浓度下，电压越大，对应的电流越大，而在同一电压条件下，随着尿素浓度的增大，电流值逐渐减小. 由图5和图6可知，在相同条件下刻蚀的多孔硅，Al/PS/Si/Al纵向结构和Al-PS-Al结构相比，后者对尿素吸附后响应电流值数量级变小，从10A变到10A，线性关系前者明显优于后者，由图6可看可，Al-PS-Al结构的多孔硅，当尿素浓度大于10 ugml，线性关系良好. 从实验结果看，Al/PS/Si/Al纵向结构和A1-PS-Al 横向结构的多孔硅，均显示了对尿素的传感性，它们对不同浓度尿素的吸附作用是显著的，随着对尿素的吸附，多孔硅的表面态发生了改变，产生了更低导电能力的表面态.这种导电能力的降低应该不是水的影响，因为水可以增加 PS的导电性，有可能是由于吸附，包括化学吸附和物理吸附，因其改变了多孔硅的介电电数所致. 3 结 论 采用n型单晶硅抛光片，光电化学阳极氧化刻蚀出多孔硅(PS)，再经过光氧化处理得到稳定化的氧化多孔硅.通过真空蒸 镀金属铝层形成 Al/PS/Si/Al纵向结构和 PS两端镀铝的Al-PS-A1横向结构.研究了吸附尿素后对这两种结构电性能的影响 ，通过lgI~V曲线反映出吸附不同量尿素后导电性的差异，为实现多孔硅尿素传感器提供了依据. ( 4 参考文献 ) 四Bisi O， Ossicini S， Pavesi L. Porous silicon： a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics[J]. Surf Surf Sci Rep ，2000 ，38 ：1~126 ( C ullis A G ， CanhamL T， C a lc o tt PD J. The structural and luminescence properties of porous si l icon[J]. Journal of A p plied Physics ，1997 ，82：909~965 ) ( Cadet C， D eresmes D， V ill a ume D， et al. Influ e nce of surface defects on the electrical behavior of aluminum-porous s ilicon j unctions[J]. Appl Phys Lett ， 1994 ，64：2 827~2829 ) ( L ehmannV， H ofm a nn F， Moller F，et al . Resistivity of porous silic o n： a surface effect [J]. Thin Soli d Film s ，199 5 ，255：20~22 ) ( B alagurov L A， Yarkin D G ， P etr o va E A. E l ec tr onic transport in p orous silicon of low porosity made on a p+ subst r ate [J]. Ma t er i als Scien c e and Engineering B， 200 0 ，(69~70) ： 127~131 ) 施琼铃，魏锡文，李燕飞，等.多孔硅的表面状态和吸附性能研究[J].计算机与应用化学，2007，24：141~14461 ( L pez- Ga r c aJ ， M a rtn- P a l m a RJ， Ma n so M ，et al. P orous silicon based structures for the electrica l biosensi n g of glucose [J]. Sensors and Actua t ors B，C h emical ，2007 ，126 ，82~85 ) EL ECTRICAL PROPERTIES OF PORO US SILICONSTRUCTURE ABSO KBED UREA Li Huaixiang Xue Liang Chen Lusheng Cui Hongtai ( College of Chemistry，Chemical Engineering and Materials Science ，Shandong Normal University ，250014 ，Jinan，China ) Abstract Porous silicon(PS) was formed by etching n type silicon wafer with a resistivity of 15 ~20 Q cm inethanol - hydrogen fluoride solution. The formed PS was stabilized by illumination oxidation in hydrogen chloridesolution. Aluminum was evaporated onto the PS to form longitudinal structure ， Al/PS/Si/Al and transversal structure A1-PS-A1. Urea was absorbed into the PS nanostructure in different concentrations to form Al/PS-urea/Si/Al or Al/PS-urea/Al. Electrical characteristics of the Al/PS-urea/Si/Al or Al- PS- urea- Al was investigated by measuring lgI~V. It has been found that the lg I decreases with the absorbed urea content and there is a linear relation in the range of1ug ml~ 1mg mlurea solution used to immerse the PS. Accordingly， PS - based two structures were potential todevelope biomolecules sensors. Key words porous silicon ： urea： photoelectrochemistry； biomolecule sensor China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net