[发明专利]一种纳米气敏薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌纳米气敏薄膜的制备方法，具体地说，涉及一种通过溶胶-凝胶(sol-gel)法制备Sn掺杂ZnO纳米薄膜的方法。

背景技术

气敏材料是还原性气体检测设备的核心，目前，气体检测设备的价格都很昂贵，且设备体积较大，这给气体检测带来很多不便。低成本，小体积的还原性气体检测设备受到人们极大的关注，而纳米薄膜材料本身尺寸小，易于集成，薄膜性能好，特别适合应用于气体检测设备，这样不但可以大大减小气体检测设备的体积，还可以降低检测设备的成本。气敏纳米薄膜的主要制备方法是用高能粒子束轰击或直接加热高纯ZnO靶材，使其离化后淀积到低温衬底上，这些方法制备的纳米薄膜成本较高，不但对薄膜制备的环境要求较高，即需要高真空，而且仪器设备相对昂贵复杂。

随着微型气体传感器研究的不断深入，人们对气体传感器的性能，特别是检测下限和对待测气体的特异性响应提出了更高的要求。同时人们也希望这种传感器可用于健康检测、监测人体血液酒精浓度以及监测大气中的酒精浓度，这就需要对现有的气敏材料进行改性研究。

ZnO为第三代宽禁带半导体，属于表面控制型气敏材料。在室温下，其能带隙约为3.3eV，具有击穿电压高、电子噪声小、可承受功率高等优点。同时，物理化学性质稳定，在1800℃才有升华现象，可在较高温度下工作。ZnO薄膜有着对乙醇气体灵敏度比较高的优点，但也存在着对敏感气体选择性差的缺点。例如，对汽油、天然气以及某些有机物蒸气(如氨水，甲醛等)都有比较强的敏感性，而这些气体对乙醇气体的检测造成了比较大的妨碍，甚至造成气体传感器工作失灵。因而，为了提高ZnO的气敏性能，常掺入一些掺杂剂。在ZnO中掺杂Pt、TiO₂、Sn等物质可以获得很高的乙醇气体检测灵敏度和很好的选择性，尤其是Sn掺杂ZnO，可提高ZnO对还原性气体的气敏特性。

将ZnO中掺入掺杂剂作为气敏材料，其获得方式有如下几种：

1.采用物理沉积方法，在超高真空磁控溅射镀膜装置中采用金属锌作为靶材，或用金属锌作为靶材基质，并将所要掺杂的呈独立块状的氧化物或呈独立块状的单质金属均匀分布在溅射刻蚀区组成的复合靶作为靶材；以管状绝缘材料或片状绝缘材料为基底，控制基底匀速转动进行磁控溅射沉积薄膜；然后进行热氧化处理，得到气敏薄膜。比如在发明申请CN 101424653A中，还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。此类方法制备薄膜所需设备的设备投入较大，靶材利用率小、生产成本高，其广泛的工业应用受到极大制约。

2.采用溶胶-凝胶技术，将半导体金属氧化物(比如ZnO)中掺杂金属原子、稀土氧化物，并将其涂覆于光纤光栅表面，制成气敏传感器。目前有采用以二氧化锡和二氧化硅的混合的乙醇溶液作为溶胶，并通过提拉法制成溶胶-凝胶薄膜。在发明申请CN 1693886A中有与上述技术方案相关的信息。长周期光纤光栅(LPFG)由于价格较高，在传感器领域尚未得到广泛的应用与验证。而且此类传感器还需要专门的写入和读出方式，限制了其应用。

溶胶-凝胶技术由于掺杂容易控制、薄膜具有纳米结构和制备不需要复杂仪器设备等独特优点，使得它在气敏传感材料制备领域受到极大重视。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种纳米气敏薄膜，其具有对还原性气体具有很强的气敏特性。

本发明的另一目的是提供该纳米气敏薄膜的制备方法。

本发明的再一目的是提供该纳米气敏薄膜的应用。

为了实现本发明目的，本发明提供一种纳米气敏薄膜，其为Sn掺杂的纳米ZnO薄膜，采用先将锡盐溶液掺入含锌盐的溶液中形成种子层，种子层在含硝酸锌的生长液中外延生长成ZnO纳米棒薄膜；所述种子层中Sn⁴⁺离子与Zn²⁺离子的摩尔比为(0.01-0.08)∶1。

其中，优选的为，Sn⁴⁺离子与Zn²⁺离子的摩尔比为(0.06-0.08)∶1。

所述含锌盐的溶液(即基体溶液)为含乙酸锌(Zn(AC)₂)和乙醇胺(C₃H₇NO)的有机溶液；溶剂为异丙醇、乙醇或乙二醇甲醚等，优选为异丙醇。所述乙酸锌的摩尔浓度为0.3-0.8mol/L，乙醇胺的摩尔浓度为0.007-0.01mol/L。

所述锡盐溶液为四氯化锡的醇溶液，摩尔浓度为0.02-0.08mol/L，所用醇溶剂为乙醇、甲醇、丙醇等等。

所述纳米气敏薄膜的厚度为500-800纳米。