[发明专利]一种纳米多孔二氧化锡薄膜气敏材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米多孔二氧化锡薄膜气敏材料的制备方法,以纳米多孔金为生长模板，利用原子层沉积技术沉积二氧化锡、经过退火结晶、王水腐蚀生长模板过程后，最终得到具有纳米多孔金的双联通二氧化锡气敏薄膜。本发明制备得到的纳米多孔二氧化锡薄膜气敏材料可用于检测用于检测二氧化氮，且其最佳工作温度为300℃；并且具有超低的二氧化氮气敏检测极限和超高的气敏响应度。

技术领域

本发明属于无机半导体传感器纳米结构材料制备工艺技术领域，具体来说是一种纳米多孔二氧化锡薄膜气敏材料及制备方法和应用。

背景技术

大气中氮氧化物主要来自汽车尾气，煤和石油燃烧的废气。氮氧化物主要是对呼吸器官有刺激作用。汽车排出的氮氧化物(NO_X)有95％以上是一氧化氮，但是一氧化氮进入大气后逐渐氧化成二氧化氮。二氧化氮是一种毒性很强的棕色气体，有刺激性，由于较难溶于水，因而能侵入呼吸道深部细支气管及肺泡，并缓慢地溶于肺泡表面的水分中，形成亚硝酸、硝酸，对肺组织产生强烈的刺激及腐蚀作用，引起肺水肿；当二氧化氮的量达到一定程度时，在遇上静风、逆温和强烈阳光等条件，参与光化学烟雾最终形成酸雨。空气中二氧化氮浓度与人体健康密切相关，曾发生过因短时期暴露在高浓度二氧化氮中引起疾病和死亡的情况。因此对二氧化氮做出可靠的检测显得尤为重要。目前许多无机半导体包括ZnO，WO₃，TiO₂等金属氧化物被广泛用作气敏传感元件应用于二氧化氮气体的检测。工作原理是被检测气体与传感器表面发生反应(物理吸附或化学吸附),引起表面某种性质变化(电阻、电导、电压、阻抗等)，将这种变化转变为电信号,通过对电信号的分析,可以得到有关气体浓度、成分等信息。

纳米多孔金(NPG)薄膜具有双联通三维结构，这里的双联通是指相互连接的金支架和中空的空气通道交织而成，它被分成金相和空气相，其平均孔尺寸为50nm。

二氧化锡(Sn0₂)最早正是作为气敏材料被深入研究，由于它是一种禁带宽度为3.6eV的宽禁带金属氧化物半导体材料，与其它宽带隙半导体材料相比，Sn0₂理化性质稳定，无毒，拥有更高的激子束缚能，使得它具有特殊的光、电性能。而二氧化锡的气敏材料正是利用了其电学性能对环境气氛的响应，由于存在氧空位和锡间隙原子，在未掺杂的情况下就呈现出N型半导体的特性，但是纯二氧化锡制得的检测二氧化氮气敏元件并没有表现出绝对优势，室温下灵敏度很低，响应慢，往往需要高温(300-500℃)条件下测试才表现出较高的灵敏度和较低的检测极限，且制备工艺流程繁复，耗时耗力。近年来随着纳米技术的进步，纳米多孔结构的金属氧化物半导体得到发展，纳米结构较大的比表面积使得制备的气敏元件表现出良好的气敏特性。有鉴于此，我们利用纳米多孔金作为生长模板制备了对二氧化氮敏感的纳米多孔二氧化锡薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米多孔二氧化锡薄膜气敏材料及其制备方法和应用。

一种纳米多孔二氧化锡薄膜气敏材料的制备方法，包括以下步骤：

a)将13.25克拉的白金薄膜裁剪成10mm×10mm的正方形，用浓硝酸腐蚀10h，得到纳米多孔金薄膜，用去离子水反复清洗残余在表面以及孔内残余的酸后，将薄膜转移到清洗干净的石英片表面，并吹干；

b)利用原子层沉积将二氧化锡沉积于纳米多孔金薄膜的表面得到包覆有二氧化锡的纳米多孔金薄膜；

c)将步骤b)得到的纳米多孔金薄膜放置在带盖的刚玉槽内，在800℃温度的马弗炉通空气烧结1h，之后自然冷却至室温，得到完全结晶的二氧化锡；

d)将盐酸和硝酸按体积比3:1配置好王水，将退火后的样品放置在培养皿内，在王水中浸泡0.8～1.5h，使纳米多孔金薄膜完全腐蚀干净，用去离子水反复清洗，之后用氮气枪吹干，干燥箱内保存样品。