[發明專利]一種納米機電氫氣傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910983310.2
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110702743B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 張敏昊;宋鳳麒;曹路;張同慶
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/18;C23C14/28;C23C14/30;C23C14/35
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 孟捷

本發明公開了一種納米機電氫氣傳感器及其制備方法，其中傳感器包括自下至上依次設置的襯底層和至少一層鐵電層，位于最上層的鐵電層上設置有至少一根金屬納米線，每根金屬納米線上設置有至少一個裂結，所述金屬納米線的兩端分別連接設置于最上層的鐵電層上第一電極層，位于最下層的鐵電層與襯底層之間設置有第二電極層，或者第二電極層設置并連接于非最上層的鐵電層的外圍；本發明采用鐵電層/金屬納米線及其裂結的復合結構作為納米機電氫氣傳感器的敏感模塊，既充分利用了金屬納米線及其裂結的氫敏特性，又利用了鐵電層在循環電場作用下對裂結的開閉狀態的控制，使得這種結構納米機電氫氣傳感器能獲得壽命長更高靈敏的氫敏特性。

技術領域

本發明屬于氣體檢測技術領域，特別涉及一種納米機電氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術

我國是第一產氫大國，具有豐富的氫源基礎。預計到2050年氫在我國終端能源體系占比至少達10％。

作為一種清潔、高效的二次能源，氫氣具有易燃、易爆等特性。在室溫與標準大氣壓下，當空氣中氫氣體積濃度達4％～75％時，氫氣變得易燃且極易發生爆炸。因而研制出能靈敏探測氫氣濃度的傳感器尤為重要。

鈀金屬由于對氫氣極為敏感而常作為氫氣傳感器的敏感媒介。當鈀金屬暴露于含氫氣的環境中，氫分子會吸附于鈀金屬的表面，逐漸分解為氫原子，并滲透進鈀金屬內形成鈀-氫化合物。由于鈀-氫化合物許多性質，如導電性、晶格常數、折射率都與鈀金屬不同，并且由于鈀金屬對于氫氣具有固有的選擇性、快速的吸附速度、氫化物形成的可逆性，使得鈀金屬成為制作氫氣傳感器的良好材料。

純鈀納米薄膜氫氣傳感器是通過將鈀納米薄膜濺射到硅襯底上獲得的，其根據鈀吸氫形成氫化物(PdH_x)后電阻上升的原理來探測氫氣。而脆氫現象影響著純鈀納米薄膜氫氣傳感器的重復使用。研究發現，利用不同種類的鈀合金制作薄膜氫氣傳感器能夠增強鈀基氫氣傳感器的穩定性，例如Pd-Au和Pd-Ag。但是鈀合金薄膜氫氣傳感器存在成本造價較高的問題。

研究發現納米團簇形態的鈀薄膜相比于一般的鈀納米薄膜在響應度和響應時間上都更加優秀。鈀的納米團簇形態減少了鈀氫氣傳感器的滯回效應，但長時間暴露在氫氣環境下并不能克服脆氫現象。

研究發現直徑越小的表面越粗糙的鈀納米線具有更好的響應度和更低的相應時間。但其相對鈀薄膜制備難度大、成品率低。而且長時間暴露在氫氣環境下，其也不能克服脆氫現象。

因此，基于鈀金屬的現有技術中氫氣傳感器需要進一步的改進。

發明內容

為了解決現有技術中的問題，本發明提供一種納米機電氫氣傳感器及其制備方法，該傳感器壽命長且具有更好的氫敏特性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種納米機電氫氣傳感器，包括自下至上依次設置的襯底層1和至少一層鐵電層2，位于最上層的鐵電層2上設置有至少一根金屬納米線3，每根金屬納米線3上設置有至少一個裂結4，所述金屬納米線3的兩端分別連接設置于最上層的鐵電層2上第一電極層51，位于最下層的鐵電層2與襯底層1之間設置有第二電極層52，或者第二電極層52設置并連接于非最上層的鐵電層2的外圍，優選地，第二電極層52也可以設置在鐵電層2的側方。

優選地，所述襯底層1為單晶硅層、鈦酸鍶層、云母層、藍寶石層或玻璃。

優選地，所述鐵電層2為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)層、鈦酸鋇層、聚偏氟乙烯(PVDF)層、氧化鉿層或摻雜氧化鉿層，鐵電層可以通過脈沖激光沉積、分子束外延或有機合成等方法形成。

優選地，所述金屬納米線3為具有氫敏特性的金屬納米線，金屬納米線可以通過電子束蒸發、磁控濺射、熱蒸鍍、脈沖激光沉積或分子束外延等方法形成。