[發明專利]一種納米多孔二氧化錫薄膜氣敏材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510454246.0
• 申請日: 2015-07-29
• 公開（公告）號: CN106395739B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 劉鋒;趙曉靜;陳金鑫;陳駿偉;張軼;石旺舟
• 申請（專利權）人: 上海師范大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B82B1/00;B82Y30/00;B82Y40/00;G01N27/00
• 代理公司: 中國商標專利事務所有限公司 11234
• 代理人: 宋義興

本發明公開了一種納米多孔二氧化錫薄膜氣敏材料的制備方法,以納米多孔金為生長模板，利用原子層沉積技術沉積二氧化錫、經過退火結晶、王水腐蝕生長模板過程后，最終得到具有納米多孔金的雙聯通二氧化錫氣敏薄膜。本發明制備得到的納米多孔二氧化錫薄膜氣敏材料可用于檢測用于檢測二氧化氮，且其最佳工作溫度為300℃；并且具有超低的二氧化氮氣敏檢測極限和超高的氣敏響應度。

技術領域

本發明屬于無機半導體傳感器納米結構材料制備工藝技術領域，具體來說是一種納米多孔二氧化錫薄膜氣敏材料及制備方法和應用。

背景技術

大氣中氮氧化物主要來自汽車尾氣，煤和石油燃燒的廢氣。氮氧化物主要是對呼吸器官有刺激作用。汽車排出的氮氧化物(NO_X)有95％以上是一氧化氮，但是一氧化氮進入大氣后逐漸氧化成二氧化氮。二氧化氮是一種毒性很強的棕色氣體，有刺激性，由于較難溶于水，因而能侵入呼吸道深部細支氣管及肺泡，并緩慢地溶于肺泡表面的水分中，形成亞硝酸、硝酸，對肺組織產生強烈的刺激及腐蝕作用，引起肺水腫；當二氧化氮的量達到一定程度時，在遇上靜風、逆溫和強烈陽光等條件，參與光化學煙霧最終形成酸雨。空氣中二氧化氮濃度與人體健康密切相關，曾發生過因短時期暴露在高濃度二氧化氮中引起疾病和死亡的情況。因此對二氧化氮做出可靠的檢測顯得尤為重要。目前許多無機半導體包括ZnO，WO₃，TiO₂等金屬氧化物被廣泛用作氣敏傳感元件應用于二氧化氮氣體的檢測。工作原理是被檢測氣體與傳感器表面發生反應(物理吸附或化學吸附),引起表面某種性質變化(電阻、電導、電壓、阻抗等)，將這種變化轉變為電信號,通過對電信號的分析,可以得到有關氣體濃度、成分等信息。

納米多孔金(NPG)薄膜具有雙聯通三維結構，這里的雙聯通是指相互連接的金支架和中空的空氣通道交織而成，它被分成金相和空氣相，其平均孔尺寸為50nm。

二氧化錫(Sn0₂)最早正是作為氣敏材料被深入研究，由于它是一種禁帶寬度為3.6eV的寬禁帶金屬氧化物半導體材料，與其它寬帶隙半導體材料相比，Sn0₂理化性質穩定，無毒，擁有更高的激子束縛能，使得它具有特殊的光、電性能。而二氧化錫的氣敏材料正是利用了其電學性能對環境氣氛的響應，由于存在氧空位和錫間隙原子，在未摻雜的情況下就呈現出N型半導體的特性，但是純二氧化錫制得的檢測二氧化氮氣敏元件并沒有表現出絕對優勢，室溫下靈敏度很低，響應慢，往往需要高溫(300-500℃)條件下測試才表現出較高的靈敏度和較低的檢測極限，且制備工藝流程繁復，耗時耗力。近年來隨著納米技術的進步，納米多孔結構的金屬氧化物半導體得到發展，納米結構較大的比表面積使得制備的氣敏元件表現出良好的氣敏特性。有鑒于此，我們利用納米多孔金作為生長模板制備了對二氧化氮敏感的納米多孔二氧化錫薄膜。

發明內容

本發明的目的是提供一種納米多孔二氧化錫薄膜氣敏材料及其制備方法和應用。

一種納米多孔二氧化錫薄膜氣敏材料的制備方法，包括以下步驟：

a)將13.25克拉的白金薄膜裁剪成10mm×10mm的正方形，用濃硝酸腐蝕10h，得到納米多孔金薄膜，用去離子水反復清洗殘余在表面以及孔內殘余的酸后，將薄膜轉移到清洗干凈的石英片表面，并吹干；

b)利用原子層沉積將二氧化錫沉積于納米多孔金薄膜的表面得到包覆有二氧化錫的納米多孔金薄膜；

c)將步驟b)得到的納米多孔金薄膜放置在帶蓋的剛玉槽內，在800℃溫度的馬弗爐通空氣燒結1h，之后自然冷卻至室溫，得到完全結晶的二氧化錫；

d)將鹽酸和硝酸按體積比3:1配置好王水，將退火后的樣品放置在培養皿內，在王水中浸泡0.8～1.5h，使納米多孔金薄膜完全腐蝕干凈，用去離子水反復清洗，之后用氮氣槍吹干，干燥箱內保存樣品。