[發(fā)明專利]基于超薄二維氧化錫的氫氣傳感器及制作方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111360496.X
• 申請(qǐng)日: 2021-11-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114371196A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王釗;楊焱;李志偉;胡永明;顧豪爽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖北大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/12
• 分類號(hào): G01N27/12
• 代理公司: 武漢帥丞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42220
• 代理人: 朱必武;王玉

本發(fā)明設(shè)計(jì)基于超薄二維氧化錫的氫氣傳感器及制作方法，是通過(guò)液態(tài)金屬范德華力剝離法，在液態(tài)Sn表面剝離出SnO超薄二維材料，再退火氧化，制成穩(wěn)定的SnO₂，易于MEMS兼容以及集成。具體制作方法包括：在低氧環(huán)境下的手套箱中于石英管內(nèi)放入Sn粉并抽真空后封裝；約600℃的爐中燒結(jié)Sn粉；Sn塊及Sn顆粒加熱熔融，再分離出液態(tài)Sn；用載玻片擠壓液態(tài)Sn，使液態(tài)Sn與Si/SiO₂襯底接觸，將Sn氧化薄膜轉(zhuǎn)移到Si/SiO₂襯底上；制成基于SnO超薄二維材料氫敏器件；再在約300℃環(huán)境下退火氧化。制成的氫氣傳感器能夠探測(cè)濃度低至40ppm的氫氣，靈敏度高，制作工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于超薄二維氧化錫的氫氣傳感器及制作方法，具體涉及一種氧化錫超薄二維材料的氫氣傳感的大面積制作方法，屬于無(wú)機(jī)納米功能材料以及氫氣傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氫能被譽(yù)為理想的可再生清潔能源，是我國(guó)構(gòu)建清潔能源綜合供給系統(tǒng)的重要載體。發(fā)展氫能已成為我國(guó)能源技術(shù)與新興產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略方向。H₂的點(diǎn)火能量低、擴(kuò)散速度快，當(dāng)泄漏濃度在空氣中體積百分比4-75%時(shí)迅速變?yōu)榭扇迹且环N危險(xiǎn)的易燃易爆氣體。開(kāi)發(fā)高靈敏度、高選擇性的H₂泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其安全性至關(guān)重要。

基于半導(dǎo)體金屬氧化物型的氫氣傳感器具有造價(jià)低廉、壽命長(zhǎng)、易于集成以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，極具市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，是氫氣傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體氫氣傳感器大多采用ZnO、WoO₃、SnO₂等氧化物陶瓷或薄膜等塊體材料作為敏感層；這些種類的氫氣傳感器存在的不足之處表現(xiàn)在如下方面：由于塊體材料的比表面積低、表面原子占比少，敏感層在與氫氣間的相互作用時(shí)反應(yīng)能力不強(qiáng)，有些種類的氫氣傳感元件需在高溫下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)快速靈敏的氫氣探測(cè)，導(dǎo)致器件功耗大、易中毒且選擇性較差；另外，傳統(tǒng)層狀二維材料的表面原子多為飽和的成鍵態(tài)原子，無(wú)法作為氣體吸附的有效活性位點(diǎn)，傳感器靈敏度普遍不高問(wèn)題。

研究表明，原子尺度厚的超薄二維(2D)材料具有極高的比表面積和表面原子占比，單層或少層的結(jié)構(gòu)通常提供了較好的化學(xué)表面均勻性，這有利于實(shí)現(xiàn)明確的傳感器響應(yīng)。此外，基于超薄納米片的量子尺寸效應(yīng)，可能發(fā)展出新的傳感策略。基于此，有必要通過(guò)對(duì)材料尺寸和表面缺陷進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而研制出性能優(yōu)異的低溫微型化2D氫氣傳感器件。

二維半導(dǎo)體材料因其在邏輯器件、自旋電子學(xué)、光電子學(xué)、傳感和催化等方面的潛在應(yīng)用而特別令人感興趣。目前，根據(jù)相關(guān)報(bào)道得知能夠從鎵基液態(tài)金屬表面合成亞納米級(jí)的HfO₂，Al₂O₃和Gd₂O₃薄膜，以液態(tài)金屬為反應(yīng)環(huán)境，用非常簡(jiǎn)單的方法合成了一系列功能性的二維超薄薄膜材料。該方法利用了在界面氧化物層和與熔融金屬接觸的適當(dāng)基板之間發(fā)生的范德華力，由于金屬前驅(qū)體是液態(tài)的，表面氧化層可以容易地大面積脫層，該合成技術(shù)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展，有望在晶圓規(guī)模上制備原子級(jí)薄的半導(dǎo)體材料；公開(kāi)的資料還顯示，有研究者通過(guò)在液體錫的界面氧化層獲得單層半導(dǎo)體SnO納米片，并且構(gòu)建基于SnO的FET器件，通過(guò)對(duì)NO₂氣敏結(jié)果的探究，證實(shí)了SnO的P型性質(zhì)。由于P型半導(dǎo)體對(duì)于氫氣不敏感，并且SnO超薄二維材料在空氣中不穩(wěn)定，極易部分氧化成SnO₂，因此該種材質(zhì)不適于氫氣傳感器的理想材料。作為N型半導(dǎo)體的SnO₂薄膜被廣泛用于氫氣傳感，然而，單片SnO₂超薄2D材料的大面積可控制備技術(shù)仍面臨很大挑戰(zhàn)。

本發(fā)明通過(guò)液態(tài)金屬范德華力剝離法在低氧手套箱內(nèi)制備了具有原子層厚度的且覆蓋范圍達(dá)到mm²尺度的SnO超薄二維材料，然后將敏感材料在氧氣氛圍中300℃退火以氧化成穩(wěn)定的SnO₂，實(shí)現(xiàn)了SnO₂超薄2D材料的大面積制備，有益于SnO₂超薄二維材料的氫氣傳感器在氫敏性能方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容