[發明專利]一種室溫半導體氣體傳感材料與傳感器的制備方法

有效

• 申請號: 202011096552.9
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112326735B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 馬建;孫會;李福男;刁麗娜;滿文佳;馬忻忻
• 申請（專利權）人: 滕州創感電子科技有限公司
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;C01G23/053;C01G19/02;C01G9/02;C01G3/02;C01B32/194;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州宇信聯合知識產權代理有限公司 33401
• 代理人: 梁群蘭

本發明公開了一種室溫半導體氣體傳感材料與傳感器的制備方法，所述的氣體傳感器材料為ZnO?SnO₂:F?TiO₂?CuO/石墨烯復合納米材料，以此為傳感材料制備室溫氣體傳感器。其制備方法包括下述步驟：單元氧化物納米材料前驅體液體配制，多元氧化物納米材料前驅體液體配制，多元氧化物納米材料合成，多元氧化物/石墨烯復合納米材料制備，室溫氣體傳感器制作。上述制備技術和工藝前后相繼，有機統一，所制備的室溫氣體傳感器，可對硫化氫、乙醇和甲烷等氣體實現有效的室溫傳感，應用于智能化和可穿戴傳感產品。

技術領域

本發明涉及一種氣體傳感領域，尤其涉及一種室溫氣體傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著工業與社會發展，氣體污染問題日趨嚴峻，如何實現氣體的實時監測成為一個重要且迫切的課題。氣體傳感器根據反應類型可分為三大類：半導體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器和電化學氣體傳感器。其中，半導體氣體傳感器具有成本低、精度高、靈敏性強、便攜可穿戴、操作簡單等諸多優點，在工業生產、家居生活、環境保護、酒駕探測、安全檢測等多個領域中有重大作用和需求，是目前應用最為廣泛的一類氣體傳感器。

迄今為止，半導體氣體傳感器的核心材料依然是金屬氧化物半導體，最為常用的材料為SnO2、ZnO、WO3等。經過近60年的發展，半導體氣體傳感器取得了長足的進步，但依然存在一些尚未解決的問題，其中最為主要的是：無法在室溫下有效工作。目前，商業的半導體氣體傳感器均需要在高溫環境中實現，工作溫度通常在200~500°C，這是半導體氣體傳感器普遍存在的技術要求，也是制約其使用和發展的瓶頸問題。因為在氣體傳感器的使用過程中一直處于加熱狀態，不僅增加能耗、浪費能源，而且會顯著降低器件使用壽命，更重要的是高溫容易引起可燃氣體的燃燒，直接導致檢測失敗，甚至成為一個潛在的安全隱患。因此，實現在室溫條件下的有效工作是當前半導體氣體傳感器廣泛應用所面臨的最為核心的科技難題。

目前，雖然有很多學術論文和專利聲稱實現了室溫下的氣體傳感，但僅僅是在傳感材料的層面，一旦與漿料混合，制作成器件，其室溫傳感性能基本上都嚴重下降，甚至完全消失，這也是目前商業中沒有室溫傳感器成品的最為主要的原因。因而，如何開發出高性能的室溫氣體傳感材料，進而研制出具有實用價值的室溫傳感器件，在商業中獲得應用，依然是一個尚未解決的科學和技術難題。

發明內容

本發明的目的是針對上述科技難題，提供一種室溫半導體氣體傳感材料和器件及其制備方法，該半導體氣體傳感器能在室溫下有效工作。

為實現上述發明目的，本發明專利所述的一種室溫半導體氣體傳感材料，其特征如下：為ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO/石墨烯復合納米材料；石墨烯為二維形態，縱橫交錯形成三維立體網狀結構；ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO為氧化物納米顆粒，顆粒直徑在20~70nm，四種物相均勻固溶形成了微觀晶疇層面的復合材料；ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO氧化物納米顆粒均勻分布，粘附在二維石墨烯的網狀結構中，與二維石墨烯形成化學鍵，產生了界面耦合效應，為ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO/石墨烯復合納米材料。

本發明提供了一種室溫半導體氣體傳感材料和器件的制備方法，該制備方法包括下述步驟：

（1）單元氧化物納米材料前驅體液體配制，單元氧化物納米材料指的是含有一種金屬元素的氧化物納米材料，其前驅體液體配制過程具體如下：

ZnO前驅體液體：加入4.0~5.0g的ZnCl₂到5ml水中，配制成溶液1；加入5.5~6.5g的Na₂CO₃到35 ml水中，配置成溶液2；在攪拌的情況下，將溶液1緩慢加入溶液2中，形成ZnO前驅體液體；