用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮氧化物氣體傳感器的制備方法，特別涉及一種用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)在飛速發(fā)展的同時也在伴隨著不斷增加的各種有害氣體(如N03、C0、NH3、302等)，這對人類的健康造成了很大的危害。其中氮氧化物(N0X)作為一種有毒有害氣體，是酸雨和光化學(xué)煙霧形成的主要原因。隨著人類環(huán)保意識的增強，具有高靈敏度、高選擇性、可重復(fù)性等特點的氣敏傳感器是人們所希望的。W03氣敏材料工作溫度高(250°C左右)的缺點給傳感系統(tǒng)集成化帶來了復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。為此，科技人員一直致力于降低氣敏材料工作溫度的研究。研究表明，二維氧化鎢納米片具有較大的比表面積、表面活性以及較強的氣體吸附能力，從而能進(jìn)一步提高靈敏度的同時有效的較低工作溫度。
[0003]氧化鎢作為一種極具研究與應(yīng)用前景的半導(dǎo)體敏感材料，已廣泛用于檢測各種有毒和危險性的氣體。其對氮氧化物氣體的敏感機理屬于表面電阻控制型，是基于空氣中的氧氣和被檢測二氧化氮氣體在半導(dǎo)體金屬氧化物表面吸附和反應(yīng)對半導(dǎo)體材料的電阻調(diào)制過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中氧化鎢氣敏傳感器工作溫度高、功耗大的問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，具有以下步驟:
[0006](1)清洗陶瓷片(三氧化二鋁)基底
[0007]采用陶瓷片作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無水乙醇中超聲振蕩15-20min，除去表面有機物雜質(zhì)。隨后將陶瓷片基底放入去離子水中清洗，沖洗完成后放入無水乙醇中，并置于紅外烘箱中烘干；
[0008](2)在陶瓷片基底上制備Pt的叉指電極
[0009]將陶瓷片基底置于DPS-1II型高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999%的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強為2.0Pa，濺射功率80-90W，濺射時間8_10min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極；
[0010](3)制備溶劑熱反應(yīng)溶液
[0011]首先配置0.04M-0.06M的六氯化鎢溶液，將六氯化鎢溶于65ml乙二醇中，磁力攪拌至全部溶解，形成黃色透明的六氯化鎢溶液；
[0012](4)溶劑熱法制備氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器
[0013]將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，同時將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度180-210°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時間為6-10h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫；
[0014](5)清洗溶劑熱反應(yīng)后氧化鋁基底
[0015]將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在60_80°C的真空干燥箱中干燥8-10h ;
[0016](6)氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件的熱處理
[0017]將步驟(4)所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為300-400°C，保溫時間為2h，升溫速率為2-5°C /min,用以增加氧化鎢納米片的結(jié)晶性。
[0018]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0019]1)提供了一種可低成本制備氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的方法。溶劑熱法操作較為簡單，所需控制的工藝條件少，且對環(huán)境無污染。
[0020]2)提供了一種可室溫探測極低濃度(可達(dá)0.lppm)氮氧化物氣體，具有高靈敏度、快速響應(yīng)/恢復(fù)的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，具有重要的實踐和研究意義。
【附圖說明】
[0021]圖1是實施例1所制備的氧化鎢納米片的掃描電子顯微鏡照片，標(biāo)尺為2μ m ;
[0022]圖2是實施例1所制備的氧化鎢納米片的透射電子顯微鏡照片，標(biāo)尺為200nm;
[0023]圖3是實施例1所制備的氧化鎢納米片的XRD圖譜；
[0024]圖4是實施例1所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在室溫條件下對
0.l-3ppm ~02氣體的動態(tài)響應(yīng)曲線圖；
[0025]圖5是是實施例1所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在室溫條件下的靈敏度與N02氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純試劑。
[0028]實施例1
[0029](1)清洗陶瓷片(三氧化二鋁)基底:
[0030]采用陶瓷片(lCmX2Cm)作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無水乙醇中超聲振蕩15min，除去表面有機物雜質(zhì)。并置于紅外烘箱中烘干待用。
[0031](2)在陶瓷片基底上制備Pt的叉指電極:
[0032]將陶瓷片基底置于DPS-1II型高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999%的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強為2.0Pa,濺射功率85W，濺射時間lOmin，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極。
[0033](3)制備溶劑熱反應(yīng)溶液:
[0034]首先配置0.05M的六氯化鎢溶液，稱取1.19g六氯化鎢溶于65ml乙二醇中，磁力攪拌至全部溶解，形成黃色透明的六氯化鎢溶液。
[0035](4)溶劑熱法制備氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器:
[0036]將步驟⑵中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于100ml水熱反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，同時將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度200°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時間為9h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫；
[0037](5)清洗溶劑熱反應(yīng)后氧化鋁基底:
[0038]將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在80°C的真空干燥箱中干燥9h。
[0039]實施例1所制備的氧化鎢納米片的表面形貌的電子顯微鏡分析結(jié)果如圖1所示。會在氧化鋁傳感器基底上形成均勻分布的厚度為30-300nm，直徑為0.3-3.5 μπι的納米片；此外，氧化鎢納米片的透射電子顯微鏡分析結(jié)果如圖2所示。
[0040](6)氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件的熱處理:
[0041]將步驟(4)所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為350°C，保溫時間為2h，升溫速率為2.5°C /min。
[0042]實施例1所制備的氧化鎢納米片的X射線衍射分析結(jié)果如圖3所示。XRD譜圖顯不氧化媽納米片的晶相為單晶的八方相W03，并具有良好的結(jié)晶性。
[0043]實施例1制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在室溫下對0.l-3ppm的N02氣體的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖4所示。其在室溫下的靈敏度與N02氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系示意圖如圖5所示，其中對0.1,0.5、l、2、3ppm N02氣體的靈敏度分別為3.9,9.6,15.9,22.3和30.5o
[0044]實施例2
[0045]本實施例與實施例1的不同之處在于:步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度為180°C，所制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在室溫下對1 ppm 1^02氣體的靈敏度為
6.72。
[0046]實施例3
[0047]本實施例與實施例1的不同之處在于:步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度為190°C，所制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在室溫下對1 ppm 1^02氣體的靈敏度為
8.34。
[0048]實施例4
[0049]本實施例與實施例1的不同之處在于:步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)的反應(yīng)溫度為210°C，所制得的氧化媽納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在室溫下對1 ppm 1^02氣體的靈敏度為
3.87。
[0050]以上參照附圖和實施例，對本發(fā)明進(jìn)行了示意性描述，該描述沒有限制性。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，具有以下步驟: (1)清洗陶瓷片基底 采用陶瓷片作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無水乙醇中超聲振蕩15-20min，除去表面有機物雜質(zhì)；隨后將陶瓷片基底放入去離子水中清洗，沖洗完成后放入無水乙醇中，并置于紅外烘箱中烘干； (2)在陶瓷片基底上制備Pt的叉指電極 將陶瓷片基底置于高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極； (3)制備溶劑熱反應(yīng)溶液 首先配置0.04M-0.06M的六氯化鎢溶液，將六氯化鎢溶于65ml乙二醇中，磁力攪拌至全部溶解，形成黃色透明的六氯化鎢溶液； (4)溶劑熱法制備氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器 將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，同時將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度180-210°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時間為6-10h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫； (5)清洗溶劑熱反應(yīng)后氧化鋁基底 將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無水乙醇浸泡清洗，然后在60-80°C的真空干燥箱中干燥8-10h ; (6)氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件的熱處理 將步驟(4)所制備的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)高真空對靶磁控濺射設(shè)備為DPS-1II型高真空對靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999%的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強為2.0Pa，濺射功率80-90W，濺射時間8_10min，基底溫度為室溫。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(6)熱處理溫度為300-400°C，保溫時間為2h，升溫速率為2-5°C /min。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于室溫工作的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，包括清洗陶瓷片基底，在陶瓷片基底上制備鉑的叉指電極，制備溶劑熱反應(yīng)溶液，溶劑熱法制備氧化鎢納米棒結(jié)構(gòu)氣敏傳感器，清洗溶劑熱反應(yīng)后氧化鋁基底，氧化鎢納米棒結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件的熱處理的步驟。本發(fā)明提供了一種可低成本制備氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的方法。溶劑熱法操作較為簡單，所需控制的工藝條件少，且對環(huán)境無污染。提供了一種可室溫探測極低濃度(可達(dá)0.1ppm)氮氧化物氣體，具有高靈敏度、快速響應(yīng)/恢復(fù)的氧化鎢納米片結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的制備方法，具有重要的實踐和研究意義。
【IPC分類】G01N27/12, B82Y30/00, B82Y40/00
【公開號】CN105301063
【申請?zhí)枴緾N201510718189
【發(fā)明人】胡明, 王自帥, 王毅斐, 劉相承, 袁琳
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月29日