原位合成具有二级孔洞结构的氧化镉纳米气敏元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于气敏元件的，尤其涉及一种采用化学气相沉积的方法原位合成具有二级孔洞结构的氧化镉纳米气敏元件。
【背景技术】
[0002]乙醚是一种具有特殊气味的无色易燃液体，在工业生产和科学研究中应用广泛。乙醚的分子式C2H5OC2H5，是一种无色、易燃、极易挥发的液体，其气味带有刺激性，被当作吸入性麻醉剂，也是常见的毒品。乙醚蒸气能与空气形成爆炸性混合物，当它遇到火花、高温、氧化剂、高氯酸、氯气、氧气、臭氧等，就有发生燃烧爆炸的危险，有时也因静电而起火(爆炸极限1.9%?36%，V/V)。由于其极易挥发，不可避免地渗入人们的生活中，危害着人们的身体健康，长期低浓度吸入，有头痛、头晕、蛋白尿、红细胞增多症，参见Xueli Yu，ChangshengXie,Li Yang.Sensors and Actuators B:Chemical ,2014，(195):439-445.因此，为了人类生命和财产的安全，对乙醚气体实现有效地探测是一项迫切而有意义的研究。
[0003]气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换成电信号的传感器，其中半导体传感器是采用半导体材料制成的气敏元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，弓丨起载流子运动为特征的电导率、伏安特性或表面电位变化。(参见何道清.传感器与传感器技术.北京:科学出版社，2003。)半导体金属氧化物气敏传感器具有结构简单、成本低廉、灵敏度高、响应迅速、使用寿命长的优点，故应用最广。气敏传感器最重要的特性参数有工作温度、灵敏度、选择性、响应-恢复时间、稳定性等。参见Kawasaki H，Ueda T，Suda Y，etal.Sensors and Actuators B，2004，100:266-269。
[0004]现存的乙醚探测材料大多为半导体金属氧化物的分级结构纳米材料，如CdO的纳米树枝晶，参见Xiangqian，Fu，Jinyun，Liu，Tianli，Han.Sensors and Actuators B:Chemical ,2013，(184):260-267，Ti02多孔纳米薄膜，参见Xueli Yu，Changsheng Xie1LiYang.Sensors and Actuators B: Chemical，2014，( 195): 439-445，Sn02纳米花等，参见Yang,Liu,Yang,Jiao ,Zhenglin，Zhang.ACS Appl.Mater.1nterfaces ,2014,(6):2174-2184。这些材料的制作方法多采用溶剂热加烧结的方法，过程较为复杂，制备温度高，耗能大，并不适合大规模低成本生产。并且在组装器件的过程中，所使用的工艺也比较复杂，大大的影响了后期器件的推广使用。在性能方面，这类气敏材料普遍对多种可燃气体均有响应，所以对乙醚的选择性较弱，不能够较为有效地实现对于乙醚快速准确的有效得探测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，是针对现有的二维材料在用作气敏材料时容易团聚、原位合成气敏器件研究少，尤其是乙醚探测器件制备工艺复杂、对乙醚的选择性差等问题，利用氧化锌纳米棒阵列作为种子层，用化学气相沉积的方法在氧化锌纳米棒种子层上生长得到镉纳米片阵列，在空气中氧化得到具有二级孔洞结构的氧化镉纳米片阵列后原位合成气敏元件，实现对乙醚具有高选择性和较短响应时间的气敏元件。本发明结构巧妙、工艺简单、安全可控、成本低廉。本发明制得的气敏器件可以有效地实现对于乙醚的选择性响应，并且提出了二级孔洞这一对于气敏有较好的响应能力的纳米结构。
[0006]本发明通过如下技术方案予以实现:
[0007]一种原位合成具有二级孔洞结构的氧化镉纳米气敏元件，具有如下步骤:
[0008](I)氧化锌纳米棒阵列种子层的合成
[0009]①将乙二醇独甲醚作为溶剂，配置浓度为0.1M的醋酸锌和0.2M的乙醇胺的混合溶液；以载玻片作为基底浸入上述溶液中30s，再将载玻片基底置于烘箱中干燥处理;重复上述操作两次后，将上述载玻片基底在空气中于500°C退火处理Ih，使得种子层与载玻片基底牢固接触；
[0010]②将去离子水作为溶剂，配置浓度为0.025M的硝酸锌和0.025M的六次亚甲基四胺的混合溶液；
[0011]取60-80ml的上述混合溶液于反应釜中，并将上述载玻片基底放入盛有混合溶液的反应釜中，有种子层的一面朝下，混合溶液的高度恰好没过基片；
[0012]③将反应釜放入烘箱中，在100°C的温度下保温9小时，然后取出上述载玻片基底，用去离子水小心地将载玻片基底上的白色沉淀物冲洗干净，得到氧化锌的纳米棒阵列；
[0013](2)氧化镉纳米结构的合成及气敏器件的制备
[0014]①将0.05g的CdS粉末置于真空管式炉的中央，然后将上述长有氧化锌的纳米棒阵列的载玻片基底放置于距离CdS粉末30cm处；
[0015]②将真空管式炉抽真空至lOOmTorr，再同时通入的氮气和空气，并将管内压力调节至OTorr，升温至650°C，保温30min，自然冷却至室温，得到Cd的纳米片阵列；
[0016]③对上述得到的Cd的纳米片阵列的载玻片基底在空气中于360?440°C温度下保温30min，氧化得到氧化镉的纳米结构；
[0017]④将生长有复合结构的载玻片基底裁剪成大小为0.5cmXIcm的矩形，并用银浆在两端涂覆两条电极，再于100°C下保温6小时，制得具有二级孔洞结构的氧化镉纳米气敏器件。
[0018]所述步骤(I)①的载玻片基底的规格为2cmX 4cm。
[0019]所述步骤(2)②通入的空气的流量为250sccm，氮气的流量为45sccm。
[0020]本发明气敏原件的最佳工作温度为215°C。
[0021]本发明的有益效果如下:
[0022]本发明克服了现有二维半导体气敏器件在制作过程中容易团聚的问题，采用氧化锌纳米棒阵列作为种子层，进行原位的合成具有二级孔洞的氧化镉，可以排除使用化学气相沉积方法在氧化镉纳米片下面产生的膜结构对于气敏性能的影响，并且后续的制作器件的工艺简单，有利于大范围推广。具有二级孔洞结构的氧化镉制备得到的器件在215°C的温度下对于10ppm的乙醚的响应值达到了 138%，响应和恢复时间分别为15秒和27秒左右，并且实现了对乙醚的高选择性。本发明结构巧妙、工艺简单、安全可控、成本低廉，适合大规模生产。
【附图说明】
[0023]图1是实施例1具有二级孔洞的氧化镉长在氧化锌纳米棒上的截面图；
[0024]图2是氧化镉的形貌和物相表征图:
[0025](a)是实施例2氧化镉纳米片阵列的形貌图；
[0026](b)是实施例1具有二级孔洞氧化镉的形貌图；
[0027](C)是实施例3网状结构氧化镉的形貌图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施实例对本发明作进一步描述。
[0029]实施例1
[0030](I)氧化锌纳米棒阵列种子层的合成
[0031 ]①将乙二醇独甲醚作为溶剂，配置浓度为0.1M的醋酸锌和0.2M