[發明專利]三維碳納米管網絡的氣敏器件、其制備方法和含該氣敏器件的室溫氣體傳感器

在審

• 申請號: 202010392812.0
• 申請日: 2020-05-11
• 公開（公告）號: CN111678952A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 蘇言杰;姚路;周志華
• 申請（專利權）人: 南京晶碳納米科技有限公司;南京微米電子產業研究院有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;B82Y15/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京泰普專利代理事務所(普通合伙) 32360
• 代理人: 竇賢宇

本發明公開了一種三維碳納米管網絡的氣敏器件、其制備方法和含該氣敏器件的室溫氣體傳感器，屬于半導體器件與傳感技術領域。該工作通過靜電自組裝法制備了具有三維結構的納米氣敏材料，它主要包括三個步驟：（1）二氧化硅納米球的合成及表面改性；（2）利用靜電自組裝方法將碳納米管包覆在二氧化硅納米球的表面；（3）將材料涂覆在叉指電極表面。本發明方法利用碳納米管與二氧化硅納米球的有效組合構筑了三維結構，本發明為最大化基于碳納米管的氣體傳感器的傳感性能提供了一種有效的方法，同時也為基于一維納米材料的高性能器件的制造開辟了新途徑。

技術領域

本發明屬于半導體器件與傳感技術領域（G03F），尤其是一種三維碳納米管網絡的氣敏器件、其制備方法和含該氣敏器件的室溫氣體傳感器。

背景技術

環境問題是世界上最大的問題之一。如今，由于人類的活動，大氣中的污染物和溫室氣體（例如CO₂，CH₄，N₂O，CO，SO₂，NO_x，NH₃）大量增加。這導致氣體傳感器的需求急劇增長，各種新型氣體傳感器也應運而生，隨著納米科學技術的發展，基于納米材料的氣體傳感器已獲得長足進展。

納米氣敏納米材料因其特殊結構會產生表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應，導致它產生了許多不同于常規材料的特異性能，擁有極大的比表面積，提供了非常多的活性位點，極大地提升了氣體傳感器的性能。在這些納米材料中，由于碳納米管具有更寬的表面積，更多的吸收點，對局部化學環境敏感，并且其特殊的管狀結構使得其幾乎所有表面都可以暴露于周圍環境中，使得碳納米管具有成為優秀氣體傳感器的巨大潛力。盡管基于碳納米管的氣體傳感器有著出色的傳感性能，但是，由于碳納米管存在團聚狀況，使得碳納米管出色的傳感性能尚未得到最大化。研究者嘗試使用單個碳納米管或對齊的碳納米管來制造可以在一定程度上充分利用其表面積的氣體傳感器，通常采用浸涂法制備隨機的碳納米管網絡或薄膜。此外，碳納米管網絡的氣體傳感機制不同于單管。前文已提到，碳納米管網絡或薄膜通常在器件制造過程中會不可避免地發生團聚，這不僅會導致傳感薄膜的形成不可控，而且還會抑制碳納米管網絡或薄膜的形成。

發明內容

發明目的：提供一種三維碳納米管網絡的氣敏器件、其制備方法和含該氣敏器件的室溫氣體傳感器，以解決背景技術中所涉及的問題；為最大化基于碳納米管的氣體傳感器的傳感性能提供了一種有效的方法，同時也為基于一維納米材料的高性能器件的制造開辟了新途徑。

技術方案：本發明提供一種三維碳納米管網絡的氣敏器件的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、二氧化硅納米球的改性，向二氧化硅納米球懸浮液中加入APTES修飾劑，經過攪拌和洗滌干燥后得到改性的二氧化硅納米球。

步驟二、三維碳納米管網絡的自組裝，將羧基化碳納米管和步驟一制備的改性二氧化硅納米球加入異丙醇溶液中進行超聲處理和攪拌反應，完成自組裝過程，經過多次洗滌得到三維碳納米管網絡包覆的納米球材料。

步驟三、三維碳納米管@二氧化硅納米球復合材料，將步驟二得到的三維碳納米管@二氧化硅納米球復合材料分散于溶液中制成懸浮液，將所述分散液滴加到所述叉指電極表面，干燥后形成覆蓋有三維碳納米管@二氧化硅納米球薄膜的氣敏器件。

作為一個優選方案，所述二氧化硅懸浮液濃度為1～5mg/mL水溶液。

作為一個優選方案，所述APTES修飾劑加入量為每毫升懸浮液0.005～0.02mL；所述攪拌反應時間為室溫下2～10小時，所述干燥溫度為40～80℃，干燥時間為6～20小時。

作為一個優選方案，所述的羧基化碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管或其混合體。