[發明專利]二氧化錫氧化物薄膜及制備方法與其在檢測氫氣中的應用

有效

• 申請號: 202110402049.X
• 申請日: 2021-04-14
• 公開（公告）號: CN113136547B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 宋安剛;朱地;趙保峰;關海濱;徐丹;王樹元
• 申請（專利權）人: 山東省科學院能源研究所
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發明公開了二氧化錫氧化物薄膜及制備方法與其在檢測氫氣中的應用，二氧化錫氧化物薄膜，晶相結構為金紅石相結構，室溫條件下，通入氫氣前的電阻為80～100Ω，通入氫氣后的電阻為50～70Ω。其制備方法為：利用遠源等離子體濺射將錫制成沉積態二氧化錫薄膜，然后進行退火處理獲得金紅石相二氧化錫薄膜，獲得的金紅石相二氧化錫薄膜即為目標的二氧化錫氧化物薄膜。本發明提供的二氧化錫氧化物薄膜在室溫下可以對氫氣具有良好的氣敏性能。

技術領域

本發明屬于薄膜材料及氫氣檢測技術領域，涉及二氧化錫氧化物薄膜及制備方法與其在檢測氫氣中的應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

二氧化錫(SnO₂)是應用非常廣泛的用作氣體傳感器的金屬氧化物半導體，因為它可以用來檢測易燃氣體，例如甲烷、氫氣和一氧化碳。近些年，由于液化石油氣和壓縮天然氣氣體使用量的增加，由于泄漏而導致意外爆炸的頻率增加了。因此，監控并精確測量爆炸性氣體的泄漏對于防止此類事故的發生至關重要。氣體傳感器系統的開發可以有選擇地檢測和確定各種可燃氣體。因此，當前相當一部分研究活動一直致力于發展穩定、純凈或摻雜的二氧化錫傳感器。二氧化錫氣體傳感器過程主要包括化學吸附和晶格氧的參與下發生表面化學反應。預吸附表面氧氣和還原性氣體之間的表面反應會導致n型SnO₂的電導率發生變化，因此電阻變化可用于檢測具有還原性的各種氣體。

目前研究工作者已經采取了許多方法來修改感應這些半導體氧化物氣體傳感器的特性以實現高靈敏度和選擇性，例如使用不同的添加劑可提高響應速率并提高對單一氣體的選擇性，采用物理或化學過濾器增強氣敏性較弱的氣體反應速率或者調控不同的工作溫度等。

據本發明的發明人研究發現，目前二氧化錫氣敏傳感器對于氫氣的檢測中，需要在高溫(＞100℃)條件，才能對氫氣進行檢測，氣敏傳感器主要作用是檢測氣體的成分。氫氣作為清潔能源，具有優越的應用前景，而氫氣在儲存或使用時的溫度不可能達到100℃以上，因而現有二氧化錫氣敏傳感器無法針對氫氣的儲存進行檢測，從而阻礙了二氧化錫氣敏傳感器的推廣應用。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供二氧化錫氧化物薄膜及制備方法與其在檢測氫氣中的應用，本發明提供的二氧化錫氧化物薄膜在室溫下可以對氫氣具有良好的氣敏性能。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，一種二氧化錫氧化物薄膜，晶相結構為金紅石相結構，室溫條件下，通入氫氣前的電阻為80～100Ω，通入氫氣后的電阻為50～70Ω。

當二氧化錫與氫氣接觸時，二氧化錫表面吸附的帶負電荷的氧會和氫氣發生反應，釋放的電子有重新轉移到二氧化錫晶粒的導帶處，導致二氧化錫電導率增加，電阻減小，通過電阻的減小實現對氫氣的敏感性檢測。因而，影響二氧化錫對氫氣敏感性能的因素主要為：1.二氧化錫本身的電阻，2.二氧化錫表面帶負電荷的氧會和氫氣的反應速率。若當二氧化錫電阻過高時，二氧化錫表面帶負電荷的氧會和氫氣的反應速率過低，則會導致電阻變化不明顯。因而現有技術的二氧化錫氣敏傳感器基本會通過升高溫度，增加二氧化錫表面帶負電荷的氧會和氫氣的反應速率，從而使得二氧化錫的電阻發生顯著變化，從而實現對氫氣的敏感性檢測。

本發明提供的二氧化錫氧化物薄膜室溫下電阻較低，僅為80～100Ω；其次，其微觀結構有利于室溫條件下二氧化錫表面帶負電荷的氧會和氫氣的反應速率的增加，從而使得通入氫氣后電阻下降至50～70Ω，相對于本身的低電阻，電阻下降量更為明顯，從而實現室溫下對氫氣的敏感性檢測。

另一方面，一種二氧化錫氧化物薄膜的制備方法，利用遠源等離子體濺射將錫制成沉積態二氧化錫薄膜，然后進行退火處理獲得金紅石相二氧化錫薄膜。獲得的金紅石相二氧化錫薄膜即為目標的二氧化錫氧化物薄膜。