一种自由且非平面生长的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构的制备方法与流程

本发明涉及一种气敏材料的制备方法，特别涉及一种自由且非平面生长的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构的可控制备方法。

背景技术：

由于甲烷(即瓦斯，CH₄)易燃易爆的特点，很小的火花即可引发剧烈的爆炸，给使用者带来了一定的危险性，及时检测其浓度,对安全防范检测和泄露报警有着十分重要的作用。因此，甲烷气敏传感器的研究是非常有必要的。目前，对于甲烷气敏传感器的研究大多是基于氧化锌，氧化锡等广泛研究的半导体金属氧化物材料。但是这些半导体氧化物传感器的工作温度高，其造成传感器老化加快，稳定性下降，并使得功耗增加。目前，实现甲烷气体的室温高灵敏度检测仍然是一项极富挑战性的任务。

二氧化钒是一种窄禁带的N型金属氧化物半导体材料，已经有报道提到它对氢气的检测具有较高的灵敏度，并可于室温下工作。将二氧化钒材料应用于甲烷气敏传感器是一最新发现。2014年A.K.Prasad等人发现二氧化钒对甲烷气体具有敏感特性，但是其所测试工作温度为50℃-150℃，最佳工作温度为50℃，仍高于室温。而且最大灵敏度为1.4％。此外气敏响应恢复时间比较长。研究表明，以为纳米结构具有较大的比表面积、表面活性、以及较强的气体吸附能力，进而能加强气体之间的反应，在进一步提高灵敏度的同时有效的降低了工作温度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种自由且非平面生长的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构的制备方法，克服当前传感器工作温度高，结构复杂，响应恢复时间短，不能实现室温检测的问题。

本发明的技术方案是：一种自由且非平面生长的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)陶瓷基片的清洗

将陶瓷基片分别在丙酮和乙醇中超声清洗5～20min，以除去陶瓷基片表面的油污、有机物杂质和表面氧化层，清洗完后取出陶瓷基片并用吸尔球吹去基片表面的液体，吸完液体之后放于滤纸上并于60～80℃的真空干燥箱中干燥5-10min备用；

(2)称量V2O5粉末

称量V2O5粉末备用；

(3)单一气相传输沉积法制备陶瓷基二氧化钒纳米棒

将步骤(2)的V₂O₅粉末蒸发源均匀铺于步骤(1)的陶瓷基片上，并整体放入石英管中，然后在盛放V₂O₅粉末陶瓷基片的适当位置处放置一片步骤(1)的陶瓷基底，将石英管整体放入可编程式高温真空管式炉设备中，以单一气相传输沉积法在管式炉中生长二氧化钒纳米棒。

所述步骤(2)的蒸发源V₂O₅粉末为质量纯度为99.999％的V₂O₅粉末。

所述步骤(3)工艺参数采用以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，实验之前清洗炉膛5～10min，使炉内真空度达到20Pa以下，然后将流量计调为“打开”档，调节实验所需的Ar气流量20sccm，调节工作压强1.5Torr，设置沉积温度1000℃，沉积时间1-4h，进行试验。

所述步骤(3)沉积时间为3h。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种操作简便，可低成本制备陶瓷基二氧化钒纳米棒的方法，单一气相传输法所需控制的工艺条件少，且对环境无污染。并且，所沉积的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构具有较大比表面积和气体扩散通道，更有利于气体的吸附和扩散。加上所生长的部分纳米棒是非平面生长的亦即脱离平面向外生长，这些因素使得二氧化钒纳米棒可充分吸附空气中的氧以及需要探测的还原性气体CH₄。基于二氧化钒纳米棒的甲烷传感器可有效的实现室温高灵敏度检测甲烷气体。结果表明，本发明所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构将在降低甲烷气敏传感器工作温度，提高甲烷气敏传感器灵敏度方面提供很大的研究空间。

附图说明

图1是陶瓷基二氧化钒纳米棒的生长过程图：(a)是V₂O₅生长为小液滴的过程，(b)是由中间相生长为VO₂纳米棒的过程；

图2是实施例1所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒表面扫描电子显微镜照片；

图3是实施例2所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒表面扫描电子显微镜照片；

图4是实施例2所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒断面扫面电子显微镜照片；

图5是实施例2所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒XRD分析结果照片；

图6是实施例2所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构对100～500ppm CH₄气体的动态响应曲线；

图7是实施例3所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒表面扫描电子显微镜照片；

图8是实施例4所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒表面扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步详细的说明。

本发明所用原料均采用市售化学纯试剂。

实施例1

(1)陶瓷基片的清洗

将一片尺寸为2cm*2cm的陶瓷片切割成尺寸为2cm*1cm的两片矩形状，然后将一片完整的和一片切割后的陶瓷片放入玻璃杯中，分别在丙酮和乙醇中超声清洗5～20min，清洗完后取出陶瓷基片并用吸尔球吹去基片表面的液体，吸完液体之后放于滤纸上并于60～80℃的真空干燥箱中干燥5～10min备用；

(2)称量V₂O₅粉末

称量0.15g V₂O₅粉末备用；

(3)单一气相传输沉积法制备陶瓷基二氧化钒纳米棒

将步骤(2)的V₂O₅粉末蒸发源均匀铺于步骤(1)的2cm*2cm的陶瓷基片上，并整体放入石英管中，然后在距离盛放V₂O₅粉末的陶瓷基片0.5cm处(氩气流的方向)放置步骤(1)的一片2cm*1cm的陶瓷基片，将石英管整体放入可编程式高温真空管式炉(GSL-1400X型)设备中，以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，将流量计调为“清洗”档，清洗炉膛5～10min，然后将流量计调为“关闭”档，使炉内真空度达到20Pa以下，然后将流量计调为“打开”档，调节实验所需的Ar气流量20sccm，调节工作压强1.5Torr，设置升温曲线其中沉积温度1000℃，沉积时间4h，最后一步出现“-121”即设置完成，进行试验；

实施例1所制备的是一维纳米棒结构，自由且非平面生长的二氧化钒纳米棒表面形貌扫描电子显微镜分析结果如图2所示。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中单一气相传输法制备陶瓷基二氧化钒纳米棒的沉积时间为3h，所制得的陶瓷基二氧化钒纳米棒表面和断面扫描电子显微镜分析结果如图3和4所示。本实施例的纳米棒尺寸均匀，平均直径和长度为150nm和23μm。所制备的陶瓷基二氧化钒纳米棒XRD分析结果如图5所示，结果表明二氧化钒是单斜晶体结构。

由实施例2制得的陶瓷基二氧化钒纳米棒结构气敏传感器元件在室温下对100～500ppm的CH₄气体的动态响应曲线如图6所示。图像表明陶瓷基二氧化钒纳米棒结构可于室温探测甲烷气体且具有很好的可逆性。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中单一气相传输法制备陶瓷基二氧化钒纳米棒的设置沉积时间2h，所沉积的纳米棒尺寸不均匀但开始沿不同方向生长，呈现自由生长的形貌。所制得的陶瓷基二氧化钒纳米棒表面形貌扫描电子显微镜分析结果如图7所示。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤(3)中单一气相传输法制备陶瓷基二氧化钒纳米棒的设置沉积时间1h，所制备的纳米棒紧紧相邻成纳米束状且主要沿一个方向生长。陶瓷基二氧化钒纳米棒表面形貌扫描电子显微镜分析结果如图8所示。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。