一种低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气敏传感器技术领域，特别涉及一种低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]现代工业的迅猛发展使得大气问题日益严重，人们对于健康问题越来越关注，这推动了有高性能的气敏材料与器件的发展。目前用于有毒有害气体检测的半导体金属氧化物的种类繁多，如氧化锌、氧化锡、氧化钨、氧化铟等。其中，氧化钨是一种宽禁带的N型半导体材料，由于其低成本、高稳定性和高选择性在气敏传感器领域有广泛的研究，经常用于各种有毒有害气体如N0X、S02、NH3等检测。但是，WO3气敏材料工作温度远高于室温(200°C)特点使得基于氧化钨纳米结构气敏传感器需要考虑加热装置，这极大的增加了传感器的功耗。因此，科技人员一直致力于用于低温工作的且具有高灵敏度的气敏传感器的研究。WO3对气体的敏感机理属于表面电阻控制型，是基于氧气与被测气体在半导体晶粒表面发生化学吸附和反应对WO3半导体表面电阻的调制过程。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法，克服现有技术中氧化钨气敏传感器存在的工作温度较高的问题。
[0004]本发明的技术方案是:一种低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法，具有以下步骤:
[0005](I)陶瓷片基底的清洗
[0006]采用陶瓷片作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15-20min，除去表面有机物杂质。随后将陶瓷片基底放入去离子水中清洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，并置于红外烘箱中烘干；
[0007](2)制备Pt的叉指电极
[0008]将陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度99.99%的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999 %的氩气作为工作气体，溅射工作压强为2.0Pa,溅射功率80-90W，溅射时间8_10min，基底温度为室温，在氧化铝基底表面形成叉指铂电极；
[0009](3)制备反应溶液
[0010]首先配置六氯化钨反应溶液，将1.19g六氯化钨溶于20ml正丙醇中，磁力搅拌至全部溶解，形成黄色的溶液。之后在黄色溶液中加入45ml去离子水，最终形成蓝色的六氯化钨溶液；
[0011](4)制备气敏传感器
[0012]将步骤(2)中镀有铂电极的氧化铝基底置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，同时将步骤(3)制备的六氯化钨溶液也转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度180-210°C下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米片结构，反应时间为7h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温；
[0013](5)清洗反应后氧化铝基底
[0014]将步骤(4)中溶剂热反应后的氧化铝基底，反复经去离子水和无水乙醇浸泡清洗，然后在60_80°C的真空干燥箱中干燥8-10h;
[0015](6)气敏传感器元件的热处理
[0016]将步骤(5)所制备的氧化钨纳米片结构气敏传感器元件置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为300-400°C，保温时间为2h，升温速率为2-5°C/min，用以增加氧化钨纳米片的结晶性。
[0017]本发明的有益效果为:本发明以陶瓷片为基底，采用溶剂热法在基底上制备了三氧化钨纳米片结构，提供了一种制备具有较大的比表面积和表面活性的氧化钨纳米片结构的方法，所制得的气敏传感器具有高灵敏度、优良的稳定性和易于微电子工艺技术兼容。溶剂热法具有设备简单、操作方便、可重复性好、成本低廉等优点，同时这一材料在降低气敏传感器的工作温度、提高传感器的灵敏度和选择性方面有重要的实践和研究价值。
【附图说明】
[0018]图1是实施例1所制备的氧化钨纳米片的扫描电子显微镜照片，标尺为200nm;
[0019]图2是实施例1所制备的氧化钨纳米片的XRD图谱；
[0020]图3是实施例1所制备的氧化钨纳米片结构气敏传感器元件在不同工作温度下对lppm NO2气体的对应关系图；
[0021]图4是实施例1所制备的氧化妈纳米片结构气敏传感器元件在100°C条件下对IppmNO2气体的动态响应曲线；
[0022]图5是实施例1所制备的氧化钨纳米片结构气敏传感器元件在100°C条件下对多种气体的选择性示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做详细说明。
[0024]本发明所用原料均采用市售化学纯试剂。
[0025]本发明所用原料均采用市售化学纯试剂。
[0026]实施例1
[0027](I)陶瓷片基底的清洗:
[0028]采用陶瓷片(lCmX2Cm)作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15min，除去表面有机物杂质。并置于红外烘箱中烘干待用。
[0029](2)制备Pt的叉指电极:
[0030]将陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度99.99%的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999 %的氩气作为工作气体，溅射工作压强为2.0Pa,溅射功率85W，溅射时间1min，基底温度为室温，在氧化铝基底表面形成叉指铂电极。
[0031](3)制备反应溶液:
[0032]首先配置六氯化钨反应溶液，称取1.19g六氯化钨溶于20ml正丙醇中，磁力搅拌至全部溶解，形成黄色的溶液。之后在黄色溶液中加入45ml去离子水，最终形成蓝色的六氯化钨溶液。
[0033](4)制备气敏传感器:
[0034]将步骤(2)中镀有铂电极的氧化铝基底置于10ml水热反应釜的聚四氟乙烯内衬中，同时将步骤(3)制备的六氯化钨溶液也转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度200°C下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米片结构，反应时间为7h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温；
[0035](5)清洗反应后氧化铝基底:
[0036]将步骤(4)中溶剂热反应后的氧化铝基底，反复经去离子水和无水乙醇浸泡清洗，然后在80 0C的真空干燥箱中干燥9h。
[0037]实施例1所制备的氧化钨纳米片的表面形貌的电子显微镜分析结果如图1所示。会在氧化铝基底上形成均匀分布的直径为500-1500nm的纳米片。
[0038](6)气敏传感器元件的热处理:
[0039]将步骤(5)所制备的氧化钨纳米片结构气敏传感器元件置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为350 °C，保温时间为2h，升温速率为2.5 °C/min。
[0040]实施例1所制备的氧化钨纳米片的X射线衍射分析结果如图2所示。XRD谱图显示氧化钨纳米片的晶相为单晶的单斜相W03，并具有良好的结晶性。
[0041]实施例1制得的氧化妈纳米片结构气敏传感器元件在不同工作温度下对lppmN02气体的对应关系图如图3所示，可以看出氧化钨纳米片结构传感器的最佳工作温度为100°C。其在最佳工作温度下的灵敏度与lppm NO2气体浓度的动态响应图如图4所示。
[0042]由实施例1所制得的氧化钨纳米片结构气敏传感器元件在最佳工作温度下对10ppm氨气、乙醇、丙酮、甲醇、异丙醇蒸汽的灵敏度分别为2.22、1.88、1.65、1.53、1.39、1.18，而对lppm N02气体的灵敏度为28.3，如图5所示。这表明该氧化钨纳米片结构气敏传感器元件对NO2气体具有优良的选择性。
[0043]实施例2
[0044]本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤(4)中溶剂热的反应温度为180°C，所制得的氧化妈纳米片结构气敏传感器元件在100°c下对I ppm NO2气体的灵敏度为8.72。
[0045]实施例3
[0046]本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤(4)中溶剂热的反应温度为190°C，所制得的氧化妈纳米片结构气敏传感器元件在100°c下对I ppm NO2气体的灵敏度为10.34。
[0047]实施例4
[0048]本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤(4)中溶剂热的反应温度为210°C，所制得的氧化妈纳米片结构气敏传感器元件在100°c下对I ppm NO2气体的灵敏度为15.38。
[0049]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)陶瓷片基底的清洗 采用陶瓷片作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15-20min，除去表面有机物杂质；随后将陶瓷片基底放入去离子水中清洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，并置于红外烘箱中烘干； (2)制备Pt的叉指电极 将陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度99.99%的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999 %的氩气作为工作气体，溅射工作压强为2.0Pa,溅射功率80-90W，溅射时间8_10min，基底温度为室温，在氧化铝基底表面形成叉指铂电极； (3)制备反应溶液 首先配置六氯化钨反应溶液，将1.19g六氯化钨溶于20ml正丙醇中，磁力搅拌至全部溶解，形成黄色的溶液;之后在黄色溶液中加入45ml去离子水，最终形成蓝色的六氯化钨溶液； (4)制备气敏传感器 将步骤(2)中镀有铂电极的氧化铝基底置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，同时将步骤(3)制备的六氯化钨溶液也转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度180-210°C下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米片结构，反应时间为7h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温； (5)清洗反应后氧化铝基底 将步骤(4)中溶剂热反应后的氧化铝基底，反复经去离子水和无水乙醇浸泡清洗，然后在60-80 0C的真空干燥箱中干燥8-1 Oh; (6)气敏传感器元件的热处理 将步骤(5)所制备的氧化钨纳米片结构气敏传感器元件置于马弗炉中进行热处理，用以增加氧化钨纳米片的结晶性。2.根据权利要求1所述的低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)热处理温度为300-400°C，保温时间为2h，升温速率为2-5°C/min。
【专利摘要】本发明公开了一种低温工作的高灵敏度二氧化氮气敏材料的制备方法，具有以下步骤：(1)陶瓷片基底的清洗；(2)制备Pt的叉指电极；(3)制备反应溶液；(4)制备气敏传感器；(5)清洗反应后氧化铝基底；(6)气敏传感器元件的热处理。本发明以陶瓷片为基底，采用溶剂热法在基底上制备了三氧化钨纳米片结构，提供了一种制备具有较大的比表面积和表面活性的氧化钨纳米片结构的方法，所制得的气敏传感器具有高灵敏度、优良的稳定性和易于微电子工艺技术兼容。溶剂热法具有设备简单、操作方便、可重复性好、成本低廉等优点，同时这一材料在降低气敏传感器的工作温度、提高传感器的灵敏度和选择性方面有重要的实践和研究价值。
【IPC分类】G01N27/12
【公开号】CN105628749
【申请号】CN201610011641
【发明人】胡明, 王自帅, 王毅斐, 刘相承, 袁琳
【申请人】天津大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月5日