基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器领域，尤其是涉及一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是:当纳米线(NWs，例如氧化锌纳米线)在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。
[0003]氧化锌纳米线作为半导体材料，可以应用于乙醇传感器。然后现有乙醇传感器由于氧化锌纳米线的制备方法，具有灵敏度低、响应时间长、制备工艺复杂等缺陷。
[0004]常规生长氧化锌纳米线的方法为化学生长方法，例如水热法，使氧化锌纳米线在带有种子层的金属层基底表面生长。以往，在氧化锌纳米线生长过程中，培养液中产生的气泡上升到溶液表面且时常被面朝下的基底表面捕获，抑制了氧化锌纳米线在金属层基底表面上均匀生长。
【发明内容】
[0005]常规生长纳米线的方法，例如水热法，氧化锌纳米线在金属层基底表面生长取向度较差，比表面积不高。本发明解决的技术问题是提供一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器及其制备方法，增加了氧化锌纳米结构的比表面积，具有灵敏度高，响应时间短的特点。
[0006]本发明乙醇传感器可以感受因乙醇吸收在氧化锌表面所造成的电阻下降，乙醇传感器的响应度与环境里增加的乙醇气体浓度呈近似线性变化。
[0007]本发明采用静电纺丝法-煅烧在叉指电极上生成氧化锌纳米膜，该氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成。或者，优选的进一步以每根氧化锌纳米线为轴生长氧化锌纳米柱以形成氧化锌纳米柱阵列，该氧化锌纳米柱是在(001)面优势取向的六角柱。由于合成的氧化锌纳米柱(六角柱)的宽高比较高，可以增加氧化锌纳米柱阵列单位体积里的比表面积。
[0008]由于氧化锌纳米膜跨越在叉指电极之上，而叉指电极的两对电极之间不导通，因此当氧化锌纳米线表面吸附乙醇时，则氧化锌表面多数载流子(电子)浓度增加，电阻减小。产生的电阻变化可以通过外部电路测量。本发明乙醇传感器，灵敏度高、响应时间快，制备工艺简单。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案是:一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，包括形成叉指电极的两组电极，以及设置在叉指电极至少一侧表面的氧化锌纳米膜；
[0010]所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成；
[0011]所述叉指电极的两组电极不导通，形成所述乙醇传感器的信号输出端。
[0012]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成。
[0013]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米线中掺杂有二氧化锡。
[0014]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜由煅烧静电纺丝获得的聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜制成。
[0015]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜由煅烧静电纺丝获得的聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜制成。
[0016]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述锌盐包括醋酸锌、硝酸锌、草酸锌及它们的水合物；所述聚乙烯类聚合物包括聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP ;所述锡盐包括氯化锡、醋酸锡、硝酸锡或草酸锡。
[0017]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米线的直径为200_300nmo
[0018]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述氧化锌纳米膜的厚度为500nm_lμ m。
[0019]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，以每根构成氧化锌纳米膜的氧化锌纳米线为轴进一步生长有氧化锌纳米柱，构成氧化锌纳米柱阵列，形成带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米柱是(001)面优势取向的六角柱。
[0020]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述六角柱横截面最大长度为200-300nm,六角柱高度为2-3 μ m。
[0021]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器,所述带有氧化锌纳米柱的氧化锌纳米膜的厚度为5-8 μ m。
[0022]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，每立方微米氧化锌纳米膜平均由2-3根氧化锌纳米线构成，氧化锌纳米柱彼此交缠。
[0023]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述叉指电极由在基板上沉积或涂布金、铟锡金属氧化物、银、铜或铝形成。
[0024]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器，所述基板是硅、玻璃或有机玻璃。
[0025]为了解决上述技术问题，本发明采用的第二技术方案是:一种基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，该方法包括:
[0026]( I)配制氧化锌纳米膜用静电纺丝液
[0027]将聚乙烯类聚合物加入到溶剂中，待聚乙烯类聚合物溶解后，向液体中加入锌盐，然后混合均匀得到静电纺丝液；其中，聚乙烯类聚合物与锌盐的重量比为1-5:0.5-3 ；
[0028](2)静电纺丝
[0029]将步骤(I)所得静电纺丝液加入到静电纺丝装置中，然后将静电纺丝液注射到形成叉指电极的两组电极的至少一侧表面上进行静电纺丝，在叉指电极的至少一侧表面上获得聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜；以及
[0030](3)煅烧
[0031]将步骤(2)所得聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜连同叉指电极一起进行煅烧，煅烧条件为:按照2-10°C/min的升温速率升温至500-600°C，恒温煅烧1-6小时；然后冷却到室温，得到氧化锌纳米膜，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线构成。
[0032]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，步骤(2)中，该方法还包括得到纺丝纤维有序排列的聚乙烯类聚合物-锌盐纤维膜。
[0033]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，静电纺丝之前，将叉指电极放置在载体的容置腔中；其中，该载体包括第一载体底材，设置在第一载体底材一侧表面的第二载体底材和第三载体底材，第二载体底材和第三载体底材平行并间隔设置，在第二载体底材上设有第一金属条，在第三载体底材上设有第二金属条，第一金属条与第二金属条平行设置；第二载体底材和第一金属条，与第三载体底材和第二金属条之间形成容置腔。
[0034]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，所述第一金属条和第二金属条所用材质是铝箔、铜箔、铝片或铜片；所述第一载体底材、第二载体底材和第三载体底材所用材质是绝缘材料。
[0035]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，所述氧化锌纳米膜由六边纤锌矿晶相的氧化锌纳米线平行构成。
[0036]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法,步骤(I)中,所述锌盐包括醋酸锌、硝酸锌、草酸锌及它们的水合物；所述溶剂包括甲基甲酰胺DMF，乙醇ethanol或四氢呋喃THF ;所述聚乙烯类聚合物包括聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP。
[0037]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，在静电纺丝液中添加锡盐，然后在步骤(2)，在叉指电极的至少一侧表面上获得聚乙烯类聚合物-锌盐-锡盐纤维膜；其中所述锡盐包括氯化锡、醋酸锡、硝酸锡或草酸锡。
[0038]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，步骤(2)中，在电压为10kV-20kV，接收距离为8cm-20cm，推动速度0.lml/hr-lml/hr条件下，将静电纺丝液注射到叉指电极上进行静电纺丝。
[0039]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，纺丝时间为30秒到10分钟。
[0040]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，步骤(3)中，所述氧化锌纳米线的直径为200nm-300nm。
[0041]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，所述氧化锌纳米膜的厚度为 500nm_lμ m。
[0042]前述的基于氧化锌纳米结构的乙醇传感器的制备方法，该方法还包括:(4)生长氧化锌纳米柱阵列
[0043]以步骤(3)