[发明专利]一种分级结构氧化锡纳米片/碳化硅纳米纤维及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锡纳米片/碳化硅纳米纤维及制备方法，具体涉及一种具有分级结构的氧化锡纳米片/碳化硅纳米纤维及制备方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术和精密机械加工技术的日益发展，基于单晶Si显微机电加工技术的微机电系统（MEMS）也越来越受到人们的关注。MEMS广泛应用于发动机、航空宇航飞行器、核动力设备、卫星、空间探索、地热井和传感器等领域。但由于Si的禁带宽度低（Eg=1.12eV），其弹性模量在600℃以上会大大降低，而且基于Si半导体的p-n结在150℃以上就会破坏，因此，Si基MEMS的最高使用温度仅为200℃，大大限制了MEMS在高温极端环境中的应用。而碳化硅（SiC）是一种宽带隙（E_g=2.3～3.2eV）半导体，具有优异的机械强度，突出的热稳定性和化学稳定性，其载流子饱和速率高，热导率高，耐磨耐腐蚀，最高使用温度可达到1000℃，因而是一种高温MEMS理想的基体材料。

另一方面，氧化锡（SnO₂）是一种n型宽带隙（E_g=3.6eV）半导体，具有稳定性高，来源广泛，无毒性以及可调控的光学、电学和光电性能等特点，因而被广泛应用于气体传感器、发光二极管和锂离子电池等领域。近年来，不同纳米结构的SnO₂（如纳米粉体、薄膜、纳米管、纳米线和纳米纤维等）在气体传感器上的应用成为研究的热点。但纯的纳米SnO₂在应用过程中存在的主要问题是纳米SnO₂分散性差，容易团聚，只有部分SnO₂的活性位点可以于目标气体接触反应，降低了纳米SnO₂的气敏性能。相比较于二维的纳米SnO₂结构，具有三维分级结构的SnO₂可以将活性位点完全暴露于目标气氛中，使目标气体与SnO₂能充分快速地接触，因而可大大提高SnO₂传感器的灵敏度和缩短响应回复时间。

将活性SnO₂负载于SiC上，不仅可以实现气体传感器在高温极端环境中的使用，同时，碳化硅还可以检测出对金属氧化物传感器不敏感的气体，因而SiC传感器也是对金属氧化物传感器的必要补充。近年来，关于SnO₂/SiC复合物的研究也日益增多，但报道的SnO₂多为颗粒形态，所使用的SiC也主要是SiC半导体基片或颗粒，例如，Xunfu Zhou等人（X. Zhou, Y. Liu, X. Li, Q. Gao, X. Liu, Y. Fang, Topological morphology conversion towards SnO₂/SiC hollow sphere nanochains with efficient photocatalytic hydrogen evolution, Chem. Comm. 2014, 50, 1070-1073.）采用水热法制备了SnO₂/SiC中空微球，其SnO₂为颗粒形式嵌入在SiC中空球中；Hunter等人（G.W. Hunter, P.G. Neudeck, L.Y. Chen, et al. SiC-based schottky diode gas sensors. Materials Science Forum, 1998, 264-268: 1093-1096）在SiC半导体基片上溅射了一层SnO₂活性氧化物薄层制备了MOS型气体传感器，发现相比于Pd/SiC，Pd/SnO₂/SiC的气敏性能大大提高；M. Shafiei等人（M. Shafiei, K. Kalantar-zadeh, W. Wlodarski, E. Comini, M. Ferroni, G. Sberveglieri, S. Kaciulis and, L. Pandolfi, “Hydrogen gas sensing performance of Pt/SnO₂ nanowires/SiC MOS devices,” International Journal on Smart Sensing & Intelligent Systems, 2008, 1, 771-783）通过热蒸发的方法在SiC半导体基片上制备了一层SnO₂纳米线，其制成的气体传感器具有优异的传感性能。但他们所得到的SnO₂颗粒和SiC基片的比表面积较小，且SnO₂与SiC之间不具有三维分级结构，暴露的活性位点少，性能有待进一步提高。