氧化鎢—氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列作為氣敏材料的應(yīng)用
【專利說(shuō)明】氧化鎢一氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列作為氣敏材料的應(yīng)用
[0001]本發(fā)明申請(qǐng)是母案申請(qǐng)“一種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米陣列及其制備方法”的分案申請(qǐng)，母案申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?014106197649，母案申請(qǐng)的申請(qǐng)日為2014年11月5日。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于功能材料制備領(lǐng)域，更加具體地說(shuō)，涉及氧化媽/氧化銀異質(zhì)結(jié)納米線陣列在探測(cè)二氧化氮中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]進(jìn)入21世紀(jì)，工業(yè)化水平快速發(fā)展，但人類賴以生存的自然環(huán)境與生態(tài)卻遭到嚴(yán)重破壞，空氣中存在著大量有毒有害氣體(如N02、N0、H2S、C0、S02等等)。NOx類有毒氣體，能夠形成酸雨腐蝕建筑物和皮膚，也能產(chǎn)生化學(xué)煙霧，吸入引發(fā)咳嗽，更甚者造成呼吸道疾病。因此制作高效且準(zhǔn)確檢測(cè)和預(yù)防有毒有害氣體的傳感器刻不容緩。要獲得高性能的納米傳感器，首先就要制備出可以提供這些高性能可能性的納米材料。
[0004]金屬氧化物半導(dǎo)體型氣敏傳感器具有低成本，高靈敏度，易于控制與操作的優(yōu)點(diǎn)，因而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，但目前研究較成熟的氣敏材料金屬氧化物半導(dǎo)體有ZnO、
3]102、1102等，但他們均不能用于高效檢測(cè)NOx類氣體。隨著研究深入，1991年Akiyama Μ等報(bào)道了 W03陶瓷在300度的環(huán)境下是檢測(cè)NOx的高敏感材料。自此，引發(fā)眾多科研工作者對(duì)103的研究。W03是一種金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種表面電導(dǎo)(電阻)控制型氣敏材料。W03晶體表面的原子性質(zhì)活躍，容易吸附氣體分子，而當(dāng)氣體分子吸附在晶體表面時(shí)，會(huì)使其內(nèi)部載流子濃度發(fā)生相應(yīng)的變化，表現(xiàn)為傳感器的電阻變化。鑒于氧化鎢的活躍原子位于晶體表面因此極大的擴(kuò)大晶體表面與氣體的接觸面積，能夠有效的改善氣敏性能。一維納米線結(jié)構(gòu)的氧化鎢因其巨大的比表面積吸引了眾多科研工作者的研究。經(jīng)過(guò)近幾年的研究已經(jīng)可以通過(guò)水熱法、氣相法、溶膠-凝膠等制得。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，一維納米線結(jié)構(gòu)的氧化鎢確實(shí)提高了檢測(cè)氣體的靈敏度，但這依然不能達(dá)到市場(chǎng)化與集成化應(yīng)用的要求。為了得到高選擇性、高靈敏度、低工作溫度，高穩(wěn)定性的氣敏傳感器，目前主要通過(guò)氣敏材料改性來(lái)提尚氣敏性能。
[0005]氣敏材料改性方面，主要途徑有摻雜貴金屬Pt、Au、Pd或過(guò)渡金屬氧化物，另外可通過(guò)構(gòu)造異質(zhì)結(jié)構(gòu)改性。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)目前主要應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器，發(fā)光器件，太陽(yáng)電池等科學(xué)領(lǐng)域。將異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于氣敏領(lǐng)域形成異質(zhì)結(jié)材料是改善氣敏性能另一個(gè)極具潛力的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列在探測(cè)二氧化氮中的應(yīng)用，通過(guò)氣相方法制備出形貌良好的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列結(jié)構(gòu)材料，一維納米線陣列巨大的比表面積與其優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能在提高氣敏傳感器的靈敏度與響應(yīng)速度上具有很重要的研究?jī)r(jià)值。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0008]—種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列及其制備方法，按照下述步驟進(jìn)行制備:
[0009]步驟1，利用對(duì)靶磁控濺射在基底上沉積鎢薄膜材料層，以金屬鎢作為靶材，以惰性氣體為濺射氣體，濺射工作氣壓為1 一2.0Pa，濺射功率為80-110W，濺射時(shí)間為15_20min ；
[0010]優(yōu)選惰性氣體為氬氣、氦氣或者氮?dú)?，濺射工作氣壓為2.0Pa,濺射功率為90-100W，濺射時(shí)間為 15-20min ；
[0011]步驟2，在真空高溫管式爐設(shè)備對(duì)步驟1制備的鎢薄膜進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)氧化鎢納米線，環(huán)境氣氛為氧氣和氬氣的混合氣體，在氧化鎢納米線生長(zhǎng)過(guò)程中，控制氧氣和氬氣流量分別為0.lsccm和35-50sccm，控制爐內(nèi)生長(zhǎng)壓力為140— 160Pa，管式爐從室溫20— 25攝氏度升到600-700°C，升溫速率5°C /min，在600-700°C保溫1一2小時(shí)，然后降溫1小時(shí)至300-400 °C，最后自然冷卻到室溫20— 25攝氏度；
[0012]優(yōu)選在生長(zhǎng)過(guò)程中，控制氧氣和氬氣流量分別為0.lsccm和35sccm，控制爐內(nèi)生長(zhǎng)壓力為150Pa ;管式爐從室溫20— 25攝氏度升到700°C，升溫速率5°C /min，在700°C保溫1小時(shí)，然后降溫1小時(shí)至400°C，最后自然冷卻到室溫20— 25攝氏度。
[0013]步驟3，氧化鎢納米線的退火處理，將步驟2制備的氧化鎢納米線在300-500°C且空氣氣氛環(huán)境下退火1-2小時(shí)，以進(jìn)一步穩(wěn)定晶向；
[0014]步驟4，利用對(duì)靶磁控濺射經(jīng)過(guò)步驟3制備處理的基底的氧化鎢納米線層上沉積釩膜，以金屬釩作為靶材，以惰性氣體作為濺射氣體，惰性氣體流量為30-50SCCm，濺射工作氣壓為2.0Pa，濺射功率為80-110W，濺射時(shí)間為2_5min ；
[0015]優(yōu)選惰性氣體為氬氣、氦氣或者氮?dú)?，濺射工作氣壓為2.0Pa,濺射功率為90-100W，濺射時(shí)間為2 — 5min ；
[0016]步驟5，進(jìn)行釩的退火熱處理，將經(jīng)過(guò)步驟4處理得到的沉積金屬釩膜的基底在300_500°C且空氣氣氛環(huán)境下退火1一2小時(shí)即可；
[0017]優(yōu)選在300_400°C且空氣氣氛環(huán)境下退火1一1.5小時(shí)即可。
[0018]在上述技術(shù)方案中，在步驟1中，靶材金屬鎢的質(zhì)量純度為99.999%。
[0019]在上述技術(shù)方案中，在步驟4中，靶材金屬釩的質(zhì)量純度為99.999%。
[0020]在上述技術(shù)方案中，使用的惰性氣體的質(zhì)量純度為99.999%。
[0021 ] 在上述技術(shù)方案中，所述基底為單面拋光硅片，或者氧化鋁陶瓷片。
[0022]使用日立掃描電鏡Hitach1-S4800FESEM和日本電子JEM-2100F場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡對(duì)氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列進(jìn)行分析可知，氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列由氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線組成，氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線長(zhǎng)度為300—800nm，所述氧化媽納米線的直徑為10_20nm，在所述氧化媽納米線的外圍均勾地包裹氧化釩，所述氧化釩的厚度為20-30nm，氧化鎢和氧化釩形成了同軸核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是最優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)構(gòu)形式，對(duì)比混合分散型與疊層型結(jié)構(gòu)，同軸核殼異質(zhì)結(jié)具有最大的有效異質(zhì)結(jié)面積，對(duì)發(fā)揮異質(zhì)結(jié)優(yōu)異性具有重要作用。
[0023]本發(fā)明公開了一種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列在探測(cè)二氧化氮中的應(yīng)用，提供了一種制備W03異質(zhì)結(jié)納米線結(jié)構(gòu)的方法，顯著的提高了材料的比表面積，有效的利用了異質(zhì)結(jié)在性能方面的優(yōu)異性。同時(shí)氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線結(jié)構(gòu)也在敏感器件的低功耗、超快響應(yīng)速度方面具有很重要的研究?jī)r(jià)值。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，氧化鎢與氧化釩都具有很好的氣敏性能，是優(yōu)異的氣敏半導(dǎo)體材料。利用上述制備的氧化鎢/氧化釩納米線進(jìn)行氣體實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上述方法制的的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)構(gòu)的在室溫下對(duì)5ppm級(jí)別的N02氣體具有的響應(yīng)靈敏度是單純氧化鎢納米線靈敏度的7-9倍，響應(yīng)時(shí)間小于3s0
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種以低成本的方法采用氣相法制備出一維結(jié)構(gòu)的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線在探測(cè)二氧化氮中的應(yīng)用，與現(xiàn)有的熱蒸發(fā)、電沉積等方法相比具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，工藝參數(shù)易于控制，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。并且，形貌結(jié)構(gòu)為一維納米線陣列，具有很高的比表面積，能夠充分發(fā)揮異質(zhì)結(jié)的優(yōu)異性，對(duì)將這一材料應(yīng)用于降低氣敏傳感器的工作溫度、提高傳感器的靈敏度與響應(yīng)速度方面有很大的研究空間。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米線的掃描電子顯微鏡照片。
[0026]圖2是實(shí)施例1所制備的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列掃