一种基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性、透明气体传感器领域，具体为一种基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器及其制备方法，利用半导体性单壁碳纳米管柔性透明薄膜构建高性能柔性气体传感器。
【背景技术】
[0002]随着智能化、信息化的不断发展，在现代社会的诸多领域(包括环境监测、工业生产、医疗诊断和国防军事等)中，对环境气体的实时监测变得越来越重要，发展轻量化、便携式的实时气体分析传感器将会给人类生产生活带来诸多便捷。目前，金属氧化物半导体(MOS)传感器和固态电解质(SE)传感器占据着气体传感器的绝大部分市场。但是，二者都需要在较高温度下工作，消耗功率大、灵敏度低、抗干扰能力较差、不能弯折、使用不便。
[0003]单壁碳纳米管具有优异的力学性能、手性依赖的导电属性、弹道输运特性、优异的柔韧性及较低的密度等，其电学性能强烈依赖最外层碳原子，当外层碳原子与气体分子结合后，碳纳米管的电性能就会发生变化。目前为止，碳纳米管传感器对順3、NO、H2, CO、02、S0#P H2S等气体表现出了较高的检测灵敏度(文献1.Allen, B.L.；Kichambare, P.D.;Star, A.Adv.Mater.，2007，19:1439。 文献 2.Zhang, T.；Mubeen, S.；Myung, N.；Deshusses, M.Nanotechnology, 2008, 19:332001)。科研人员为开发基于这些敏感性的新型碳纳米管环境监测气体传感器做了大量的研宄工作(文献3.Wongwiriyapan, W.；Honda, S.；Konishi, H.；Mizuta, T.；0hmori, Τ.；Kishimoto, Y.；Ito, Τ.；Maekawa, Τ.；Suzuki, K.；Ishikawa, H.；Murakami, T.；Kisoda, K.；Harima, H.；0ura, K.；Katayama, Μ.Nanotechnology, 2006，17:4424。 文献 4.Valentini, L.；Cantalini, C.；Amentano, 1.；Kenny, J.M.；Lozzi, L.；Santucci, S.J.Vac.Sc1.Technol.B, 2003, 21:1071.)。
[0004]目前，碳纳米管传感器存在的问题是:柔性、透明碳纳米管薄膜传感器的研宄与开发进展缓慢，且碳纳米管传感器的灵敏度仍有待提高，随着微电子技术的发展，开发小型化、稳定耐久、便携式和低功耗传感器也迫在眉睫。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器及其制备方法，获得的气体传感器柔性、透明、可弯折，首次实现了单壁碳纳米管薄膜气体传感器的小型化、稳定持久、便携、低功耗、室温下使用、高灵敏度等特性，克服已有的氧化物半导体传感器由于需要加热而消耗大量能源的问题，有利于节能减排。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]一种基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器，以半导体性单壁碳纳米管作为气体感应材料，利用浮动催化剂化学气相沉积法制备并收集半导体性单壁碳纳米管薄膜，经热压转移或喷涂工艺制备担载于柔性透明基体上的半导体性单壁碳纳米管柔性、透明薄膜，再利用银胶或电镀方式连接导线与外部的输出设备相连接，完成半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器基元的组装。
[0008]所述的气体感应材料为半导体性单壁碳纳米管，其中半导体性碳纳米管根数含量大于90%。
[0009]所述的半导体性单壁碳纳米管直接利用铝箔收集为薄膜宏观体，再经提纯、热压转移至柔性、透明基体上，形成复合膜；或者，所述的半导体性单壁碳纳米管直接收集网状宏观体，再经提纯、分散、喷涂在柔性透明基体上，形成复合膜。
[0010]所述的基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器，将所获得的复合膜通过裁减，于两端配置石墨电极或电镀电极，并使用银胶或电镀方式连接铜、银或金导线与外部的输出设备相连接。
[0011]所述的基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器，该传感器的透明度通过碳纳米管薄膜厚度进行调控，利用透光率来表征其透明度，该传感器的透光率在99%以下可调。
[0012]所述的基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器，该柔性、透明气体传感用于探测极性或非极性气体分子:氢气、一氧化碳或氨气。
[0013]所述的基于半导体性单壁碳纳米管的柔性、透明气体传感器，该柔性、透明气体传感器检测ppm量级的气体，检测速度达到8秒以下。
[0014]本发明的设计思想是:
[0015]本发明将浮动催化剂化学气相沉积法生长的半导体性单壁碳纳米管组装在柔性透明基体上，通过银胶或电镀等方式连接导线(铜、银、金等)将碳纳米管传感部分与外部输出设备相连接，构建柔性、透明、高性能气体传感器。从而，利用半导体性单壁碳纳米管对环境响应的敏感特性，提出以半导体性单壁碳纳米管薄膜为气敏材料，构建柔性、透明、可弯折的高性能气体传感器。
[0016]本发明的优点及有益效果是:
[0017]1、本发明以半导体性单壁碳纳米管为气体感应材料，制备柔性、透明、半导体性单壁碳纳米管薄膜，并构建了柔性、透明气体传感器，该气体传感器具有探测灵敏度高、反应速度快、探测气体种类多、体积小、功耗低、结构简单、可批量生产、成本低等诸多优点。
[0018]2、本发明柔性、透明气体传感器还具有体积小(可做成厘米见方)、功耗低(只需加?IV电压)、结构简单(只需引出导线即可)、可批量生产、成本低等诸多优点。
[0019]3、本发明柔性、透明气体传感器可无限次重复使用。
[0020]4、本发明传感器可进行360度、无限次弯折、且不影响传感器性能。
【附图说明】
[0021]图1为半导体性单壁碳纳米管与普通单壁碳纳米管典型样品的多波长拉曼光谱(激光波长为 532nm(a)、633nm(b)、785nm(c))。图中，Raman shift (cm-1)为拉曼位移，intensity (a.u.)为强度。
[0022]图2为浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置图，图中，1、加热体；2、化学气相沉积反应炉加热区；3、催化剂支撑架推杆；4、进气管；5、进(出)气口 ；6、催化剂；7、同轴铝箔放置区域及碳纳米管沉积区域(炉管壁)；8、碳纳米管沉积区域(过滤网)9、炉管。
[0023]图3为担载在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上不同膜厚的半导体性单壁碳纳米管薄膜；(a)、(c)为干法转移的透光率分别为55%、90%的薄膜；(b)为喷涂方法制备的透光率为55%的薄膜。
[0024]图4为透光率为55%的半导体性单壁碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜照片。
[0025]图5为半导体性单壁碳纳米管和PET的复合膜，可以看到其柔性极佳。
[0026]图6(a)为本发明传感器单元结构示意图，图6(b)为其截面示意图。
[0027]图7为传感器测试实物图。
[0028]图8为55%透光率半导体性单壁碳纳米管薄膜的氢气传感器传感性能曲线。图中，time (S)为时间，response (% )为灵敏度。
【具体实施方式】
[0029]下面通过实施例和附图进一步详述本发明。
[0030]如图2所示，本发明浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置主要包括:加热体1、化学气相沉积反应炉加热区2、催化剂支撑架推杆3、进气管4、进(出)气口5、催化剂6、同轴铝箔放置区域及碳纳米管沉积区域(炉管壁)7、碳纳米管沉积区域(过滤网)8、炉管9等，具体结构如下:
[0031]炉管9穿设于加热体I中，炉管9位于加热体I中的部分为化学气相沉积反应炉加热区2，炉管9位于加热体I 一侧的部分为同轴铝箔放置区域及碳纳米管沉积区域(炉管壁)7，同轴铝箔放置区域及碳纳米管沉积区域(炉管壁)7的外端设置碳纳米管沉积区域(过滤网)8，炉管9的两端分别为进(出)气口 5，炉管9的一端为进气口，进气口安装进气管4，炉管