[發明專利]一種納米機電氫氣傳感器及制備方法

在審

• 申請號: 202010206656.4
• 申請日: 2020-03-23
• 公開（公告）號: CN111398362A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 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
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發明公開了一種納米機電氫氣傳感器及制備方法，氫氣傳感器包括襯底層、至少一層鐵電層、金屬納米線、“裂結”、電極層，所述至少一層鐵電層設置在所述襯底層上，所述金屬納米線形成在所述鐵電層上，包括至少一根金屬納米線；所述“裂結”形成在所述金屬納米線上，每根金屬納米線包括至少一個“裂結”，第一電極層與所述金屬納米線接觸，第二電極層與所述鐵電層接觸，并且這兩電極層互相不接觸。

技術領域

本發明涉及氣體檢測技術領域，尤其是涉及一種氫氣傳感器。

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％，廣泛應用于交通、化工原料、工業、建筑等領域，成為我國能源戰略的重要組成部分。

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

本發明的目的之一是提供一種壽命長且具有更好氫敏特性的納米機電氫氣傳感器。

本發明公開的技術方案是：一種納米機電氫氣傳感器，包括襯底層、至少一層鐵電層、金屬納米線、“裂結”、電極層，所述至少一層鐵電層設置在所述襯底層上，所述金屬納米線形成在所述鐵電層上，包括至少一根金屬納米線；，所述“裂結”形成在所述金屬納米線上，每根金屬納米線包括至少一個“裂結”，第一電極層與所述金屬納米線接觸，第二電極層與所述鐵電層接觸，并且這兩電極層互相不接觸。

所述“裂結”形成在所述金屬納米線上是指裂隙。

本發明的一個實施例中，所述襯底層為單晶硅層、鈦酸鍶層、云母層、藍寶石層或玻璃。

本發明的一個實施例中，所述鐵電層為鈮鎂酸鉛-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。

本發明的一個實施例中，所述金屬納米線為具有氫敏特性的金屬納米線。

本發明的一個實施例中，所述金屬納米線為具有吸氫后體積膨脹的性質的金屬鈀納米線。

本發明的一個實施例中，所述裂結的產生、位置、方向和大小都是可控的。

本發明的一個實施例中，所述電極層為金、銀、銅、鉑、鎳或銦層。