專利名稱：一種嵌有氧化物量子點的碳納米管復合氣敏膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣敏傳感器敏感薄膜制備領域，涉及一種嵌有氧化物量子點的碳納米 管復合氣敏膜的制備方法。
背景技術：
氣敏傳感器的主要原理是被檢測的氣體與氣體敏感膜發(fā)生反應，引起氣敏膜的材 料結構、表面態(tài)等屬性發(fā)生變化，將這種屬性變化轉變?yōu)殡娮?、電導、電容等電信號輸出，?過輸出的電信號可分析出氣體的組分和濃度等信息。因此對于氣體檢測，敏感膜的作用是 十分重要的。敏感膜往往很大程度上決定了氣敏傳感器的結構、功耗、壽命、靈敏度、響應時 間、檢測的范圍等關鍵特性。半導體金屬氧化物如氧化錫、氧化鋅、氧化鈦、氧化鋯等是目前 應用范圍最廣的氣敏材料，因為金屬氧化物材料具有物理、化學穩(wěn)定性好，可靠性高，氣體 吸附、脫附時間短，靈敏度高等優(yōu)點，非常適合做氣敏材料。但是金屬氧化物氣敏膜傳感器， 工作溫度普遍要求比較高(至少在200°C以上)，室溫下選擇性較差，壽命短，器件結構復雜 制作成本較高。因而如何開發(fā)新的敏感膜材料及其制備工藝，提高氣敏傳感器的靈敏度、穩(wěn) 定性、選擇性和壽命等特性成為當前氣敏傳感器領域迫切需要解決的問題。碳納米管作為 一種新型的納米材料，具有比表面積大、電子遷移率高、室溫下可以工作等優(yōu)點，很適合做 氣敏材料和氣敏傳導材料?；谔技{米管的氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、室溫下工 作、抗電磁輻射等優(yōu)點。但是碳納米管的氣敏選擇性比較差，難以精確區(qū)分氣體的種類。本 專利提出在碳納米管上嵌入氧化物量子點構成復合氣敏材料，兼顧碳納米管良好的電子輸 運性能和氧化物量子點對氣體種類的選擇性，實現(xiàn)在室溫下高精度、有選擇性的、快速檢測 各種氣體。復合材料的優(yōu)勢在于1+1 > 2，新型氣敏材料的研制為氣敏傳感器的研究奠定了 堅實的基礎。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種嵌有氧化物量子點的碳納米管復合氣敏膜的制備方 法，該方法可以為氣體傳感器提供一種實用的氣敏膜制備技術。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是工藝采用厚膜工藝在硅襯底上制 備一層氧化物納米顆粒膜層，在燒結爐中高溫燒結作為生長襯底，然后在其上采用酞菁鐵 高溫催化裂解法在單溫區(qū)電阻爐中生長碳納米管復合結構，得到的碳納米管呈樹枝狀且有 氧化物量子點嵌入到其管內和管壁，所述方法包括以下步驟1)基底預處理基底材料為硅 或者二氧化硅或者其它金屬襯底，先后分別用丙酮、無水乙醇和去離子水對基底各超聲清 洗20 30分鐘，然后在烘箱中烘干；2)氧化物印刷漿料制備稱取8 15克氧化物，粒徑小 于1微米，量取30 50毫升松油醇倒入干凈的燒杯中，將稱量好的氧化物倒入上面的燒杯 中，用玻璃棒攪拌均勻后在超聲波清洗器中超聲震蕩5 10分鐘，然后加入3 4克乙基 纖維素，用玻璃棒攪拌均勻和超聲震蕩3 5分鐘。將燒杯放在電熱恒溫加熱箱中加熱，保 持溫度80 100°C并不斷攪拌，最終制成氧化物納米顆粒漿料；3)襯底制備將氧化物納米顆粒漿料通過厚膜工藝，包括絲網印刷、甩涂和其它涂覆工藝，在硅或者二氧化硅或者其它金屬襯底上成型；4)燒結將制備好氧化物漿料的襯底放到燒結爐中，設置燒結溫度540 560°C，保持恒溫30 40分鐘，然后自然冷卻至室溫；5)生長碳納米管將燒結后的氧化物 襯底作為生長襯底，以酞菁鐵作為碳源，氫氣作為還原氣，在單溫區(qū)電阻爐中采用酞菁鐵催 化裂解法生長碳納米管復合結構材料(見專利(GL200510096426)“單溫區(qū)電阻爐熱解法生 長并純化碳納米管的工藝”)。氧化物是氧化鋅、氧化錫、氧化鈦或氧化鋯多種金屬氧化物。本發(fā)明的嵌有氧化物量子點的碳納米管復合氣敏膜的工藝，可以在多種基底上進 行，比如硅、氧化硅、其他金屬等襯底材料。其中的氧化物膜層可以是氧化鋅、氧化錫、氧化 鈦、氧化鋯等多種金屬氧化物。本發(fā)明為氣敏傳感器的研制和發(fā)展奠定一定的基礎。


圖1是氣敏膜樣品的結構示意圖。1表示基底；2氧化物顆粒膜層；3碳納米管膜。圖2是碳納米管復合膜的電鏡照片。下面結合附圖對本發(fā)明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式參照圖1所示，1為基底，2為氧化物顆粒膜層，3為碳納米管膜。在基底上設置有 一層氧化物薄膜，在氧化物薄膜上生長有嵌有氧化物量子點的樹枝狀碳納米管復合膜。參照圖2所示碳納米管氧化錫復合膜的SEM照片，樹枝狀的碳納米管被氧化錫顆 粒包裹著，長出的碳納米管呈竹節(jié)狀，并且可以清楚地看到有氧化錫量子點嵌入到碳納米
管的管壁和管內。按照本發(fā)明的技術方案，嵌有氧化物量子點的樹枝狀碳納米管復合氣敏膜的制備 方法的具體要求為1)氧化物顆粒是通過球磨得到的，氧化物膜層是通過絲網印刷到硅襯 底上，之后在恒溫箱中450 560°C燒結形成的，氧化物顆粒膜層的厚度大約為lOum。2)碳納米管復合材料是生長在氧化物顆粒膜層上。3)碳納米管是通過酞菁鐵高溫裂解法在單溫區(qū)管式爐中生長。本發(fā)明的具體實施例是在傳感器器件硅結構基底上用的嵌有氧化錫量子點的碳 納米管復合氣敏膜。1)基底預處理基底材料為低阻硅襯底，先后分別用丙酮、無水乙醇和去離子對基 底各超聲清洗半個小時，然后在烘箱中120°C烘20 30分鐘烘干。2)氧化錫漿料制備a)球磨氧化錫粉然后通過300目的篩網過濾。稱取8 10克 球磨后氧化錫。b)量取30 50毫升松油醇倒入干凈的燒杯中。將稱量好的氧化錫倒入上面的燒 杯中，用玻璃棒攪拌均勻后在超聲波清洗器中超聲震蕩5 10分鐘。c)然后稱取乙基纖維素3 4克，倒入上面的燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，在超聲 波清洗器中超聲震蕩5 10分鐘d)將燒杯放在電熱恒溫加熱箱中加熱，并不斷攪拌，制成 氧化物印刷漿料。
3)絲網印刷把預先制好的絲網固定到絲網印刷機上，根據對準圖形把硅片固定 好，壓上絲網。取適量的氧化錫印刷漿料放置于絲網窗口圖形的前方，然后單手扶著刮板把 氧化錫印刷漿料刮過圖形區(qū)域，氧化錫印刷漿料透過絲網留在硅片上形成氧化錫膜層。4)燒結將印刷好氧化錫漿料的硅片放到恒溫箱的瓷磚上，再把瓷磚放入恒溫箱 中，設置燒結溫度540 560°C，保持恒溫30 40分鐘，然后自然冷卻至室溫。5)生長碳管用上面氧化錫燒結后的硅片作為襯底，以酞菁鐵作為碳源，氫氣為還 原氣，氬氣為保護氣和載氣，將燒完結后的硅片放入單溫區(qū)管式爐中生長碳納米管。應用本發(fā)明最終在氧化物膜上生長出樹枝狀的碳納米管，且在碳納米管的管壁和 管內發(fā)現(xiàn)有氧化物量子點的嵌入。這種新結構的復合氣敏膜既增加了表面積，又為氣體吸 附和電子輸運增加許多通道，氣敏特性得到顯著增強。這種新型復合氣敏膜既有氧化物材 料靈敏度高、成熟穩(wěn)定性好的優(yōu)點又具有碳納米管材料室溫操作、抗電磁干擾、靈敏度高、 反應快等優(yōu)勢。
權利要求
嵌有氧化物量子點的碳納米管復合氣敏膜的制備方法，其特征在于，采用厚膜工藝在硅襯底上制備一層氧化物納米顆粒膜層，在燒結爐中高溫燒結作為生長襯底，然后在其上采用酞菁鐵高溫催化裂解法在單溫區(qū)電阻爐中生長碳納米管復合結構，得到的碳納米管呈樹枝狀且有氧化物量子點嵌入到其管內和管壁，所述方法包括以下步驟1)基底預處理基底材料為硅或者二氧化硅或者其它金屬襯底，先后分別用丙酮、無水乙醇和去離子水對基底各超聲清洗20～30分鐘，然后在烘箱中烘干；2)氧化物印刷漿料制備稱取8～15克氧化物，粒徑小于1微米，量取30～50毫升松油醇倒入干凈的燒杯中，將稱量好的氧化物倒入上面的燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻后在超聲波清洗器中超聲震蕩5～10分鐘，然后加入3～4克乙基纖維素，用玻璃棒攪拌均勻和超聲震蕩3～5分鐘；將燒杯放在電熱恒溫加熱箱中加熱，保持溫度80～100℃并不斷攪拌，最終制成氧化物納米顆粒漿料；3)襯底制備將氧化物納米顆粒漿料通過厚膜工藝，包括絲網印刷、甩涂和其它涂覆工藝，在硅或者二氧化硅或者其它金屬襯底上成型；4)燒結將制備好氧化物漿料的襯底放到燒結爐中，設置燒結溫度540～560℃，保持恒溫30～40分鐘，然后自然冷卻至室溫；5)生長碳納米管將燒結后的氧化物襯底作為生長襯底，在單溫區(qū)電阻爐中采用酞菁鐵催化裂解法生長碳納米管復合結構材料。
2.權利要求1中所述的嵌有氧化物量子點的碳納米管復合氣敏膜的制備方法，其特征 在于，氧化物是氧化鋅、氧化錫、氧化鈦或氧化鋯多種金屬氧化物。
全文摘要
本發(fā)明公開嵌有氧化物量子點的碳納米管復合氣敏膜的制備方法，所述的復合氣敏膜是通過在硅襯底上制備一層氧化物納米顆粒膜層，在燒結爐中高溫燒結，然后在氧化物納米顆粒膜上通過高溫熱解法生長碳納米管得到的。所述的復合氣敏膜是嵌有氧化物量子點的樹枝狀的碳納米管。這種復合結構的氣敏膜增加了電子輸運和吸附的通道，增加了表面積，有利于大幅度提高氣體靈敏度和選擇性。這種復合氣敏膜制備工藝具有操作簡便、低成本的優(yōu)勢。
文檔編號C04B41/50GK101811888SQ20101015353
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者劉衛(wèi)華, 左曙, 張勇, 朱長純, 李昕 申請人:西安交通大學