一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气体敏感材料与元件技术领域，更具体地，涉及一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]半导体电阻式气体传感器的固有敏感机制决定了其对多种气体都具有敏感作用而缺乏选择性，导致难以精确识别目标气体，且其对工作温度有一定要求，而工作温度影响着气敏材料对气体的反应活性、表面化学吸附氧的状态以及电子交换过程，进而决定着灵敏度的大小。以硫化氢(H2S)气体为例，目前文献中报道的氧化锡(SnO2)气体传感器的最佳工作温度以150°C为主，尽管可以通过掺入Pt、Pd等贵金属催化剂在一定程度上改善气敏特性，但是使用这类添加剂存在材料稀缺、价格昂贵且易出现催化剂中毒现象而失效等弊端。
[0003]近年来，将不同材料复合化是当代气敏材料发展的方向，和单一组分的纳米材料不同，纳米复合材料由于其大的比表面积和强的界面相互作用使得其与常规复合材料相比具备更好的化学物理性质，从而引起了国内外学者的广泛关注，并对这种材料的性能及其应用展开了研宄。
[0004]Wang等人利用静电纺丝技术制备出中空分等级Sn02/Zn0复合纳米纤维，通过调节前驱物比例制备出SnOJP ZnO不同比例的复合纳米纤维，同时研宄了几种材料对甲醇气体的敏感特性。研宄发现当31102与ZnO的比例为1:1时，材料对甲醇的灵敏度最大为9左右，但是器件的制备方法过于繁琐，费时费力，不利于器件的重复性制作及工业生产应用。Gupta等人使用激光淀积制备了 SnO2/CuO纳米复合物并研宄了其对H2S气体的敏感特性，灵敏度要高于纯相材料，但是该制备方法要求很高的工艺精度和较高的传感器工作温度，并不利于复合材料在真实器件中发挥纳米材料的优势。Xue等人采用简便的化学法成功制备了针对H2S气体的异质结型Sn02/Cu0传感器，然而制备过程中需要800°C的高度烧结，造成了额外的能量损耗。2014年，Liu等人以化学水浴法合成了纳米花状ZnO，并经过溶液搅拌煅烧后得到表面负载N1纳米颗粒的N1/ZnO异质结构材料，其过高的煅烧温度也存在能量损耗的问题。同时在以纳米复合材料为气敏材料的传感器领域，也普遍存在器件初始电阻值过大的问题，这对电路结构提出了更高的要求，也增加了其在实际使用中的检测难度。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法，传感器能在较低的工作温度甚至常温下检测低浓度目标气体，灵敏度高，且制备方法简单，易于实现大规模批量生产，具有良好的市场应用前景。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种半导体电阻式气体传感器，其特征在于，包括绝缘衬底、信号电极和气敏层；其中，所述气敏层由胶态纳米晶复合材料和石墨烯构成，所述胶态纳米晶复合材料由两种胶态纳米晶复合而成。
[0007]优选地，所述胶态纳米晶复合材料由SnO2胶态纳米晶和CuO胶态纳米晶复合而成。
[0008]按照本发明的另一方面，提供了一种半导体电阻式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:(I)将两种纳米晶的前驱体溶液混合，采用胶态法制得纳米晶复合材料，将其均匀分散于溶剂中，并向其中掺入石墨烯，得到复合溶液；(2)将复合溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；(3)重复执行步骤(2)，得到具有所需厚度的气敏层，完成气体传感器的制备。
[0009]按照本发明的另一方面，提供了一种半导体电阻式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)采用胶态法制得两种纳米晶，并分别将其均匀分散在溶剂中，得到两种纳米晶溶液；(2)将步骤(I)得到的两种纳米晶溶液混合均匀并向其中掺入石墨烯，得到复合溶液；(3)将复合溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；(4)重复执行步骤(3)，得到具有所需厚度的气敏层，完成气体传感器的制备。
[0010]优选地，所述两种纳米晶分别为SnO2胶态纳米晶和CuO胶态纳米晶。
[0011]按照本发明的另一方面，提供了一种半导体电阻式气体传感器，其特征在于，包括绝缘衬底、信号电极和气敏层；其中，所述气敏层由石墨烯薄膜和至少一层复合胶态纳米晶薄膜依次堆叠而成，所述复合胶态纳米晶薄膜由第一胶态纳米晶薄膜和第二胶态纳米晶薄膜依次堆叠而成；所述第一胶态纳米晶薄膜和所述第二胶态纳米晶薄膜由不同材料构成。
[0012]优选地，所述第一胶态纳米晶薄膜和所述第二胶态纳米晶薄膜各自独立地为SnO2胶态纳米晶薄膜或CuO胶态纳米晶薄膜。
[0013]按照本发明的另一方面，提供了一种半导体电阻式气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)采用胶态法制得两种纳米晶，并分别将其均匀分散在溶剂中，得到第一纳米晶溶液和第二纳米晶溶液；(2)将石墨烯溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；(3)将第一纳米晶溶液涂覆在石墨烯薄膜上，使其均匀成膜；(4)将第二纳米晶溶液涂覆在第一纳米晶薄膜上，使其均匀成膜。
[0014]优选地，上述制备方法还包括如下步骤(5):重复执行步骤(3)和⑷，得到具有所需厚度的复合纳米晶薄膜。
[0015]优选地，所述第一纳米晶溶液和所述第二纳米晶溶液不同且各自独立地为SnOJK态纳米晶溶液或CuO胶态纳米晶溶液。
[0016]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0017]1、向气敏层中引入具有高电子迀移率及良好导电性的石墨烯，能大幅降低传感器的初始电阻值，降低其在实际应用中的检测难度，具有良好的市场应用前景。
[0018]2、利用胶态法合成半导体纳米晶溶液，能在室温下直接成膜，不需要经过高温处理，能耗小，且不会造成纳米颗粒的团聚，能够最大限度地发挥纳米颗粒比表面积大的优势，有利于气体吸附，提高传感器的灵敏度。
[0019]3、制备方法简单，易于实现大规模批量生产。
【附图说明】
[0020]图1是本发明第三个实施例的半导体电阻式气体传感器的制备方法流程图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0022]胶态法是一种利用有机配体分子包裹正在生长的纳米晶的表面，从而控制粒子团聚的湿化学方法。用胶态法制备的半导体材料与普通的纳米材料相比，是一类可溶液处理的均匀性好的材料体系，并且具有优良的室温成膜性能，是制备低温高性能气体传感器的新型理想材料。由室温成膜方法得到的气敏薄膜不需经过传统的高温煅烧或者高温转移过程，不会造成纳米颗粒的团聚，能够有效地发挥纳米颗粒比表面积大的优势，因而制得的气体传感器能在低温下对低浓度气体进行高灵敏度的检测，降低了损耗，安全便携。此外，向气敏层中引入具有高电子迀移率及良好导电性的石墨烯，更是降低了传感器的初始电阻值，降低了其在实际应用中的检测难度，具有良好的市场应用前景。
[0023]本发明一个实施例的半导体电阻式气体传感器包括绝缘衬底、信号电极和气敏层。其中，气敏层由胶态纳米晶复合材料和石墨烯构成，胶态纳米晶复合材料由两种胶态纳米晶复合而成。具体地，胶态纳米晶复合材料由SnO2胶态纳米晶和CuO胶态纳米晶复合而成。
[0024]在本发明的第一个实施例中，上述半导体电阻式气体传感器的制备方法包括如下步骤:
[0025](I)将两种纳米晶的前驱体溶液混合，采用胶态法制得纳米晶复合材料，将其均匀分散于溶剂中，并向其中掺入石墨烯，得到复合溶液；
[0026](2)将复合溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；
[0027]优选地，在成膜后采用短链无机配体溶液处理薄膜，并去除残余的短链无机配体及其副产物；
[0028](3)重复执行步骤(2)，得到具有所需厚度的气敏层，完成气体传感器的制备。
[0029]在本发明的第二个实施例中，上述半导体电阻式气体传感器的制备方法包括如下步骤:
[0030](I)采用胶态法制得两种纳米晶，并分别将其均匀分散在溶剂中，得到两种纳米晶溶液；
[0031](2)将步骤(I)得到的两种纳米晶溶液混合均匀并向其中掺入石墨烯，得到复合溶液；
[0032](3)将复合溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；
[0033]优选地，在成膜后采用短链无机配体溶液处理薄膜，并去除残余的短链无机配体及其副产物；
[0034](4)重复执行步骤(3)，得到具有所需厚度的气敏层，完成气体传感器的制备。
[0035]具体地，上述第一和第二个实施例中，两种纳米晶分别为SnO2胶态纳米晶和CuO胶态纳米晶。
[0036]本发明另一个实施例的半导体电阻式气体传感器包括绝缘衬底、信号电极和气敏层。其中，气敏层由石墨烯薄膜和至少一层复合胶态纳米晶薄膜依次堆叠而成，复合胶态纳米晶薄膜由第一胶态纳米晶薄膜和第二胶态纳米晶薄膜依次堆叠而成。具体地，第一胶态纳米晶薄膜和第二胶态纳米晶薄膜由不同材料构成且自独立地为SnO2胶态纳米晶薄膜或CuO胶态纳米晶薄膜。
[0037]如图1所示，上述半导体电阻式气体传感器的制备方法包括如下步骤:
[0038](I)采用胶态法制得两种纳米晶，并分别将其均匀分散在溶剂中，得到第一纳米晶溶液和第二纳米晶溶液；
[0039](2)将石墨烯溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；
[0040](3)将第一纳米晶溶液涂覆在石墨烯薄膜上，使其均匀成膜；