異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線陣列的甲苯氣體傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N異質(zhì)結(jié)納米材料的甲苯氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著未來信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為獲取信息的手段，將處于信息技術(shù)發(fā)展的前沿，會受到廣泛的關(guān)注和商業(yè)化應(yīng)用。近年來大氣環(huán)境污染的加劇、工業(yè)/家庭安全事故的頻發(fā)、食品/藥品質(zhì)量的惡劣以及在醫(yī)療、社會福利、化石能源、軍工和航空/航天等領(lǐng)域的急需。雖然在氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的研究上已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)步，但是為了滿足其在各檢測領(lǐng)域的使用要求，仍需進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度、選擇性和降低工作溫度。
[0003]事實上，圍繞著提高氧化物半導(dǎo)體傳感器靈敏度的研究一直在不斷地深化，尤其是納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為改善傳感器性能提供了很好的契機(jī)。研究表明氣敏材料的選擇性、轉(zhuǎn)變效率和氣敏材料的使用率決定著氧化物半導(dǎo)體傳感器的敏感程度。人們發(fā)現(xiàn)通過構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體氧化物復(fù)合材料能夠顯著地改善傳感器的靈敏度。這主要是因為異質(zhì)結(jié)構(gòu)提高了傳感材料的載流子迀移率，從而提升了其“轉(zhuǎn)換功能”，其次，在納米尺度下，不同氧化物半導(dǎo)體傳感材料的復(fù)合和組裝可以形成局部的P-N接觸、N-N接觸、和不同組分間的協(xié)同效應(yīng)，改善了傳感材料的“識別功能”?；谶@點，開展異質(zhì)結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體的設(shè)計和制備，對于擴(kuò)大氣體傳感器的應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義。
[0004]異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米傳感材料性質(zhì)平穩(wěn)，受環(huán)境影響小，改善了傳感器的穩(wěn)定性。作為N型氧化物半導(dǎo)體，SnO2和Ct-Fe2O3具有優(yōu)異的化學(xué)和電學(xué)特性，但是兩種半導(dǎo)體氣敏材料的工作溫度普遍偏高。在氣體傳感器應(yīng)用方面，由于在兩種材料交界的地方會形成有統(tǒng)一費米能級的異質(zhì)結(jié)，因此會在此處形成勢阱(勢皇)，載流子通過躍迀進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，迀移率提尚，從而提尚了傳感器的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在通過構(gòu)筑基于5]102納米線陣列和(1-?6203納米棒復(fù)合的1^一1'1異質(zhì)結(jié)納米材料，來改變復(fù)合材料形貌、晶粒尺寸、提高載流子濃度及形成勢皇等，從而來克服兩種材料工作溫度高的缺點，實現(xiàn)對甲苯氣體低功耗的檢測。
[0006]本發(fā)明首先以四水合氯化錫作為出發(fā)原料，水和鹽酸的混合溶液作為溶劑，鍍Pt硅片作為生長基底，利用超聲噴霧熱分解法成功在硅片上生長了 SnO2納米線陣列前驅(qū)體，然后在空氣中煅燒得到了 SnO2納米線陣列材料;再以六水合三氯化鐵和十水合硫酸鈉作為觸發(fā)原料，水和乙酸的混合溶液作為溶劑，利用水熱法在已經(jīng)生長有SnO2納米線陣列的硅片上復(fù)合O-Fe2O3納米棒，然后在空氣中煅燒得到了 SnO2納米線陣列與Ct-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料。
[0007]本發(fā)明所述的是一種基于SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的甲苯氣體傳感器，器件為平板式結(jié)構(gòu)，由2個分立的銅金合金探針(作為測試電極)、生長在鍍Pt硅片上的敏感材料薄膜、硅片背面的微型高溫陶瓷加熱片構(gòu)成，其特征在于:敏感材料為SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料，且由如下步驟制備得到，
[0008](1)首先將1.35?1.9(^的311(:14.5H20、80?180yU^度為0.2?0.3M的鹽酸依次加入到10?15mL去離子水中，攪拌10?20min直至其全部溶解；
[0009](2)將步驟(I)得到的溶液在300?400°C下超聲噴霧熱分解2?4h，并使分解產(chǎn)物生長到鍍Pt硅片(采用真空蒸鍍技術(shù)在硅片上鍍Pt)上，冷卻到室溫后，將生長有SnO2納米線陣列的鍍Pt硅片用去離子水和乙醇交替清洗5?7次，然后在70?90°C下烘干，之后再在400?450°C下鍛燒I?2h，Sn02納米線陣列的長度為500?700nm、納米線直徑為5?7nm;
[0010](3)再將0.0129?0.02588的恥2304.10H20、0.0108?0.0216g的FeCl3.6H20依次加入到含有0.18?0.371^乙酸的10?161^去離子水中，攪拌10?2011^11直至其全部溶解；
[0011](4)將步驟(2)制得的生長有SnO2納米線陣列的鍍Pt硅片浸入步驟(3)制得的溶液中，在100?120°C下水熱反應(yīng)2?4h，冷卻到室溫后，將硅片用去離子水和乙醇交替清洗5?7次，然后在70?90°C下烘干，之后再在400?450°C下煅燒I?2h，得到生長有基于SnO2納米線陣列與Q-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料薄膜的鍍Pt硅片，Q-Fe2O3納米棒的長度為3?8nm，異質(zhì)結(jié)材料薄膜，S卩敏感材料薄膜的厚度為500?700nm;
[0012]其中，鍍Pt硅片的面積為I?1.5cm2，厚度為0.4?0.6mm，2個銅金合金探針電極的長度為2?3cm，兩個探針電極間距為0.6?0.8cm;硅片背面微型高溫陶瓷加熱板的面積為I?1.5cm2，厚度為9?12mm，阻值為8?10 Ω，可承受電壓為I?12V。
[0013]本發(fā)明提供了一種基于SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的甲苯氣體傳感器的制備方法，其方法為:將生長有基于SnO2納米線陣列和α-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料鍍Pt硅片放在陶瓷加熱片上，最后將兩個銅金合金探針分別抵在上述器件上形成片式氣敏元件，這樣就得到基于Sn02納米線陣列與α-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的甲苯氣體傳感器。
[0014]本發(fā)明所述的平板式甲苯氣體傳感器利用SnO2納米線陣列與Ct-Fe2O3納米棒復(fù)合形成的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)作為敏感材料。其機(jī)理為:首先，納米棒陣列結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，疏松多孔且比表面積大，所以增大了目標(biāo)氣體分子與氧氣分子的反應(yīng)面積，使元件材料的使用率大大增加;另一方面，獨特的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也會幫助改善器件的氣體敏感特性。通過理論分析可以得出結(jié)論，敏感材料的阻值強(qiáng)烈依賴于其內(nèi)部晶體界面處的勢皇。我們所合成的材料，SnO2納米線陣列與a-Fe203納米棒之間的接觸形成N-N異質(zhì)結(jié)，增加了勢皇高度，使反應(yīng)過程中材料電阻變化較大，從而有助于氣敏特性的提高;這兩方面的共同作用大幅提高了傳感器的靈敏度。同時，本發(fā)明所采用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)a-Fe203/Sn02納米棒陣列的合成方法環(huán)保，成本低廉;制作的平板式傳感器工藝簡單，體積小，利于工業(yè)上批量生產(chǎn)，因此在醫(yī)療檢測，工業(yè)安全控制等方面有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的SnO2納米線陣列與Ct-Fe2O3納米棒復(fù)合形成的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)作為敏感材料的SEM圖，其中(a)圖的放大倍數(shù)為10000倍，(b)圖的放大倍數(shù)為100000倍；
[0016]圖2為本發(fā)明的SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的甲苯氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的對比例和實施例1中傳感器在不同工作溫度下對10ppm甲苯的靈敏度對比圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的對比例和實施例1中傳感器在工作溫度為90°C時對10ppm不同氣體的選擇性對比圖；
[0019]圖5為本發(fā)明的對比例和實施例1中傳感器在工作溫度為90°C時器件靈敏度-甲苯濃度特性曲線。
[0020]如圖1所示，(a)圖中可以看出SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合形成的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，均一性好，分散性好；(b)圖中看出復(fù)合在SnO2納米線陣列上的Ct-Fe2O3納米棒的長度為3?8nm，納米棒向外發(fā)散。
[0021]如圖2所示，SnO2納米線陣列與C1-Fe2O3納米棒復(fù)合的N-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的甲苯氣體傳感器由微型高溫陶瓷加熱板I，硅片2，真空蒸鍍的Pt層3，半導(dǎo)體敏感材料4和銅金合金探針電極5組成。
[0022]如圖3所示，對比例和實施例1中傳感器的最佳工作溫度均為90°C，此時器件對10ppm甲苯的靈敏度分別為11.11%和49.7 %。
[0023]如圖4所示，對比例和實施例1中傳感器均對甲苯具有較高的靈敏度。且于對比例相比，實施例中傳感器的選擇性均得到了極大的改善。
[0024]如圖5所示，當(dāng)器件工作溫度為90°C時，所有器件的靈敏度均隨著甲苯濃度的增加而增大，且增長趨勢逐漸變緩。其中，實施例1中傳感器表現(xiàn)出最佳的氣敏特性。
[0025]通過改變流過陶瓷加熱片的電流來調(diào)控傳感器的工作溫度，通過測量傳感器