[发明专利]基于碳纳米管微阵列/氧化钨纳米复合结构的气敏传感器元件的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于气敏传感器的，尤其涉及基于碳纳米管微阵列/氧化钨纳米复合结构的气敏传感器元件的制备方法。

背景技术

氧化钨是一种宽禁带n型半导体材料，在气体传感器、光电器件以及光催化等领域有广泛的应用，尤其是作为一种高性能气敏材料，可广泛应用于各种毒性和危险性气体如NO_X、H₂S、Cl₂、NH₃等的高灵敏度探测。已有的研究表明，氧化钨是氧化物半导体气敏传感器领域中一种极有研究与应用前景的气体敏感材料。氧化钨对气体的敏感机理属于表面电阻控制型，对气体的探测是基于氧气与被测气体在半导体晶粒表面吸附和反应对WO₃半导体表面电阻的调制过程。与传统的氧化钨材料相比，各种纳米结构氧化钨，如准一维的纳米线、纳米带与纳米棒，由于具有高的比表面积以及某一特定方向的尺寸与德拜长度相比拟，从而具有更高的表面吸附能力并且能达到载流子在部分氧化物中的完全耗尽，进而表现出较传统氧化钨材料更高的灵敏度、更快的响应特性和相对较低的工作温度。

传统氧化钨材料的工作温度较高，通常为250℃以上。尽管采用准一维纳米结构氧化钨可适当降低其工作温度，然而，准一维氧化钨纳米线或纳米棒材料的最佳工作温度仍维持在200℃左右，这就为低功耗集成化微小型化传感系统的开发增加了复杂性和不稳定性，而且，氧化物传感器长时间工作在高温下会使敏感薄膜的微结构逐渐发生改变，敏感薄膜结构逐渐趋于致密，气体向膜内部的扩散变得困难，导致器件读出响应发生长时间漂移，使传感器的长期工作稳定性变差。为此科技人员一直在致力于降低其工作温度的研究。以往的研究表明，掺杂或者形成复合型气敏材料是降低器件工作温度的一种有效途径。然而目前，实现氧化钨基传感器对低浓度气体的室温探测还是一项极富挑战性的课题。

碳纳米管(CNTs)是一种具有高导电性、高机械强度和良好热稳定性的准一维中空管状纳米材料，其特殊微观结构使其具有巨大的比表面积，因而具有很高的气体吸附活性。而且碳纳米管本身在室温下对NO_X、CH₄、CO、H₂、O₂、NH₃等多种气体具有良好的气敏性能，是一种很有潜力的室温气敏材料。近年来，国外有些学者将少量碳纳米管与氧化钨纳米晶机械混合形成混合型碳纳米管/氧化钨气敏材料开发低工作温度的氧化钨基气体传感器。然而，在这种混合型碳纳米管/氧化钨气敏材料中，碳纳米管通常被完全包埋在氧化钨晶粒中间，对气体在氧化钨薄膜内部的扩散和吸附贡献不大，而且，碳纳米管在氧化钨中达到均匀分散非常困难。

发明内容

本发明的目的在于克服氧化钨传感器的工作温度高，混合型碳纳米管/氧化钨气敏材料中碳纳米管无序分布对改善气敏性能的不利影响，提供一种传感器结构新颖，制备过程简单的基于碳纳米管微阵列/氧化钨纳米复合结构的气敏传感器元件的制备方法。

本发明通过下列技术方案予以实现，步骤为：

(1)模板的清洗：

将多孔氧化铝模板用丙酮溶剂浸泡30分钟取出，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，烘干备用；

(2)多孔氧化钨薄膜的制备：

将洁净的模板置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质量纯度为99.9％的金属钨作为靶材，以质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体，质量纯度为99.999％的氧气作为反应气体在步骤(1)备用的多孔氧化铝模板之上溅射沉积多孔氧化钨薄膜；

(3)碳纳米管微阵列/氧化钨纳米复合结构的制备：

a)以步骤(2)沉积得到的多孔模板/多孔氧化钨薄膜结构作为阴极，电泳沉积碳纳米管薄膜，所述电泳沉积工艺：电泳电压为30～100V，电泳时间为0.5～10min，阴极与阳极的间距为1～5cm，电泳液预沉降时间2h，电泳液预超声分散时间1～2h；电泳液使用水、异丙醇和正丁醇中的任意一种作为分散剂；电泳时的阳极可以是铜电极、铂电极、不锈钢电极中的任意一种；碳纳米管为单壁或多壁碳管，在使用前预研磨1h；

b)除去沉积在多孔氧化钨薄膜表面的多余碳纳米管，空气中放置10min，60℃干燥1h；

c)在程序烧结炉中于400-600℃空气气氛热处理3-4小时，控制升温速率小于2.5°/min，制得碳纳米管微阵列/氧化钨纳米复合结构薄膜。

(4)基于碳纳米管微阵列/氧化钨纳米复合结构的气敏传感器元件的制备：