[發(fā)明專利]一種基于WO3單晶顆粒的氮氧化物傳感器元件的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110402654.3
• 申請日: 2011-12-07
• 公開（公告）號: CN102495109A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦玉香;沈萬江;胡明;李曉;王飛
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 北京市盈科律師事務(wù)所 11344
• 代理人: 程新霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣敏傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于WO₃單晶顆粒的氮氧化物傳感器元件的制備方法。

背景技術(shù)

氮氧化物(NO_x)是一種可導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重環(huán)境問題并對人類健康帶來巨大威脅的典型大氣污染物。研究用于NO_x的準(zhǔn)確檢測和監(jiān)控的高性能氣敏傳感器材料與器件對保護(hù)環(huán)境和人類健康意義重大。WO₃是一種寬禁帶n型半導(dǎo)體材料，在氣體傳感器、光電器件以及光催化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其是作為一種高性能氣敏材料，可廣泛應(yīng)用于各種毒性和危險性氣體如NO_X、H₂S、Cl₂、NH₃等的高靈敏度探測。已有的研究表明，WO₃是氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器領(lǐng)域中一種極有研究與應(yīng)用前景的氣體敏感材料。WO₃對氣體的敏感機理屬于表面電阻控制型，對氣體的探測是基于氧氣與被測氣體在半導(dǎo)體晶粒表面發(fā)生化學(xué)吸附和反應(yīng)對WO₃半導(dǎo)體表面電阻的調(diào)制過程。WO₃傳感器的敏感性能與敏感層的表面結(jié)構(gòu)形貌、顆粒結(jié)晶度、晶粒尺寸和膜層多孔性等因素直接相關(guān)。

隨著環(huán)保意識的增強，人們對氮氧化物氣體傳感器的性能提出了更高的要求。發(fā)展具有更高靈敏度、更快響應(yīng)與恢復(fù)特性以及更高選擇性的WO₃傳感器件具有實際的意義。目前研究最深入，應(yīng)用最廣泛的WO₃氣體傳感器元件中的敏感層主要是由多晶WO₃顆粒構(gòu)成的薄膜或厚膜。多晶WO₃氣敏層中存在的大量晶界導(dǎo)致電子電荷傳輸速度慢，從而影響氣敏元件的響應(yīng)速率，而且大量晶界勢壘的存在也導(dǎo)致了氣敏膜層具有高基線電阻，這對器件電學(xué)特性的測試帶來極大困難，進(jìn)而限制了器件靈敏度的提高。多晶WO₃敏感層結(jié)構(gòu)在進(jìn)一步改善WO₃基氣敏傳感器靈敏度和響應(yīng)特性方面存在明顯的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于從改善WO₃顆粒結(jié)晶性的角度進(jìn)一步改善WO₃基氣體傳感器對氮氧化物氣體的敏感性能，提供一種利用準(zhǔn)定向一維束狀WO₃納米線空氣氣氛退火制備WO₃單晶顆粒的方法，并繼而提供一種對NO₂氣體具有高靈敏度、高選擇性和快速響應(yīng)特性的單晶WO₃基氣體傳感器元件的制備方法。這在高性能氣敏傳感器領(lǐng)域具有重要的價值和研究意義。

為此，本發(fā)明提供了一種基于WO₃單晶顆粒的氮氧化物傳感器元件的制備方法，具有以下步驟：

(1)將六氯化鎢溶于50毫升正丙醇或者環(huán)己醇中，所述正丙醇或者環(huán)己醇的加入量低于初始濃度的加入量，磁力攪拌1小時，形成藍(lán)色透明的六氯化鎢溶液；

(2)向步驟(1)中的六氯化鎢溶液中繼續(xù)添加正丙醇或者環(huán)己醇，調(diào)節(jié)六氯化鎢的摩爾濃度為0.003-0.014M；

(3)將步驟(2)獲得的六氯化鎢溶液轉(zhuǎn)移至100-500毫升的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，密封，然后在180-200℃的溫度下溶劑熱反應(yīng)6-10小時，反應(yīng)釜自然冷卻；

(4)將步驟(3)中的溶劑熱產(chǎn)物離心分離，經(jīng)去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌后，在60-80℃的空氣氣氛下充分干燥，制得準(zhǔn)定向的束狀一維鎢氧化物納米線；

(5)將步驟(4)中獲得的束狀一維鎢氧化物納米線束粉末與體積比為1∶2的無水乙醇與松油醇混合，超聲混合2小時，制得納米線基敏感材料漿料。

(6)將步驟(5)中所述的納米線基敏感材料漿料涂覆在覆有叉指鉑電極的傳感器基片上，室溫下放置30分鐘，在程序燒結(jié)爐中于600-800℃空氣氣氛熱處理1.5-3小時，控制升溫速率小于2℃/min，制得WO₃單晶顆粒基傳感器元件。

優(yōu)選的，所述步驟(4)的準(zhǔn)定向的束狀一維鎢氧化物納米線束的直徑為60-90納米，長度為500-1000納米，構(gòu)成納米束的單根納米線直徑為5-10納米。

優(yōu)選的，所述步驟(6)的傳感器基片上覆有的叉指鉑電極，是采用射頻磁控濺射法或蒸發(fā)法制備在潔凈的傳感器基片表面，厚度為100-150納米。

優(yōu)選的，所述步驟(6)的納米線基敏感材料漿料采用旋涂法、印刷法或者提拉法涂覆在覆有叉指鉑電極的傳感器基片上。