[發明專利]一種氣體傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201710055972.4
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN106841338B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 雷雙瑛;欒山
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

本發明公開一種氣體傳感器及其制備方法，具有至少一個氣體敏感層，氣體敏感層包括氣體敏感材料薄膜和氣體敏感電極，氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％。進一步的，本發明還公開基于該氣體傳感器用于檢測一氧化碳氣體的作用，及該傳感器制備方法。本發明的氣體傳感器提高了氣敏材料與一氧化碳的結合能力，促進氣體分子的吸收，確保了氣體傳感器的穩定性；也提高了氣體傳感器的靈敏度和對一氧化碳氣體的選擇性；且以二維材料黑磷為基礎的氣體傳感器的厚度可以做的很薄。

技術領域

本發明涉及一種氣體傳感器，特別涉及一種基于金屬鈷摻雜的黑磷結構的氣體傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

一氧化碳是石油，煤等含碳物質不完全燃燒的產物，隨著世界各國經濟交通的迅速發展，煤和石油的消耗量逐漸增長，一氧化碳的排放量也隨之增多，成為目前環境污染，尤其是城市大氣污染的重要來源之一。同時一氧化碳也是一種人們生活中常見的有毒氣體，這種氣體無色，無嗅，無刺激性，幾乎不溶于水，隨著空氣進入人體后會經過肺泡進入血循環，由于與血紅蛋白的親和力遠大于氧與血紅蛋白，使得血紅蛋白失去了攜氧的能力和作用。隨著一氧化碳的吸入量的增長，與血紅蛋白結合形成的碳氧血紅蛋白的飽和度大大提高。一氧化碳中毒者會出現頭痛，惡心，視網膜出血等癥狀，脈搏呼吸變慢，重度患者會迅速進入昏迷，血壓下降，瞳孔擴大，最后呼吸麻痹衰竭而死亡。暴露于一氧化碳環境中過嚴重損害心臟和中樞神經系統，對孕婦以及兒童造成嚴重危害，并且會產生后遺癥。因此，對一氧化碳氣體的嚴格檢測成為當務之急。

黑磷作為具有原子層厚度的新型二維材料，不但具有與石墨烯相同的導電性而且還具有石墨烯不具有的半導體能帶間隙，同時與體材料不同的優異特性，如能帶間隙的可調性，少層黑磷的多電子效應以及高度各向異性使得黑磷在高性能納米電子器件，光學器件，氣體傳感器，能量存儲等方面的應用擁有著廣泛的前景和空間。尤其作為二維材料，非常高的表面積-體積比使得在氣體吸附方面具有非常大的優勢，使之成為理想的氣體吸附材料。但是各項研究表明黑磷對氣體吸附缺乏穩定性并且材料性質不發生明顯變化，使得黑磷材料的氣體傳感器在靈敏度和氣體選擇性方面受到很大的制約，非常不利于氣體吸附和檢測。因此，越來越多的實驗研究不同金屬摻雜少層黑磷，通過提高黑磷的化學活性以及尋求化學反應過程中形成的材料基本性質的變化，從而提高氣體傳感器的靈敏特性。

發明內容

本發明的公開了一種以金屬鈷元素摻雜的少層黑磷為氣敏材料的氣體傳感器及制備方法，以及這種材料對一氧化碳氣體檢測的應用。

本發明公開一種氣體傳感器，具有至少一個氣體敏感層，氣體敏感層包括氣體敏感材料薄膜和氣體敏感電極，氣體敏感材料薄膜的敏感材料是摻有金屬鈷元素的黑磷材料，厚度為1～10個原子層厚；其中，黑磷材料是由紅磷及錫的碘化物制備，鈷原子在摻雜的黑磷結構中的原子數所占比例為2％～10％。

進一步的，黑磷材料中紅磷、Sn和SnI₄的質量比為50:2:1。

進一步的，氣體敏感薄膜是鈷原子在摻雜的少層黑磷結構中的原子數所占比例為2.78％。

進一步的，氣體敏感薄膜的厚度為8～10個原子層厚。

進一步的，黑磷材料是在真空度小于10^-3Pa的條件下，將溫度在8小時內提升至650℃并且保持5小時溫度不變，在7.5小時后冷卻至550℃并且保持6小時溫度不變，最后冷卻至室溫制得。

進一步的，氣體敏感電極包括由Ti制備的黏附層和由Au制備的接觸層。

進一步的，氣體傳感器還包括半導體襯底、位于半導體襯底上的阻擋層、位于阻擋層上的保護層、位于保護層上的加熱電極、覆蓋在加熱電極及保護層上的絕緣層，絕緣層上開有直接連接加熱電極的連接孔；氣體敏感層位于絕緣層上。