[发明专利]一种基于α-Fe2O3/SnO2异质结构纳米线阵列的甲苯气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于α‑Fe₂O₃/SnO₂异质结构纳米线阵列的甲苯气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。器件为平板式结构，由2个分立的铜金合金探针(作为测试电极)、生长在镀Pt硅片上的敏感材料薄膜、硅片背面的微型高温陶瓷加热片构成。本发明所述传感器具有集成度高、结构简单、价格低廉、体积较小、结实耐用和大批量生产的优点，并且气敏特性的测试结果表明该传感器可在较低的工作温度下对甲苯进行检测和极佳的长期稳定性，使得其对工业生产中甲苯泄露的检测和报警方面有着重要的应用前景。

技术领域

本发明属于氧化物半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种基于α-Fe₂O₃/SnO₂异质结构纳米线阵列的甲苯气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着未来信息技术的发展，传感器作为获取信息的手段，将处于信息技术发展的前沿，会受到广泛的关注和商业化应用。近年来大气环境污染的加剧、工业/家庭安全事故的频发、食品/药品质量的恶劣以及在医疗、社会福利、化石能源、军工和航空/航天等领域的急需。虽然在氧化物半导体气体传感器的研究上已经获得了很大的进步，但是为了满足其在各检测领域的使用要求，仍需进一步提高传感器的灵敏度、选择性和降低工作温度。

事实上，围绕着提高氧化物半导体传感器灵敏度的研究一直在不断地深化，尤其是纳米科学技术的发展为改善传感器性能提供了很好的契机。研究表明气敏材料的选择性、转变效率和气敏材料的使用率决定着氧化物半导体传感器的敏感程度。人们发现通过构筑异质结构半导体氧化物复合材料能够显著地改善传感器的灵敏度。这主要是因为异质结构提高了传感材料的载流子迁移率，从而提升了其“转换功能”，其次，在纳米尺度下，不同氧化物半导体传感材料的复合和组装可以形成局部的P-N 接触、N-N接触、和不同组分间的协同效应，改善了传感材料的“识别功能”。基于这点，开展异质结构氧化物半导体的设计和制备，对于扩大气体传感器的应用具有十分重要的科学意义。

异质结构纳米传感材料性质平稳，受环境影响小，改善了传感器的稳定性。作为N型氧化物半导体，SnO₂和α-Fe₂O₃具有优异的化学和电学特性，但是两种半导体气敏材料的工作温度普遍偏高。在气体传感器应用方面，由于在两种材料交界的地方会形成有统一费米能级的异质结，因此会在此处形成势阱(势垒)，载流子通过跃迁进行能量转换，迁移率提高，从而提高了传感器的性能。

发明内容

本发明旨在通过构筑基于SnO₂纳米线阵列和α-Fe₂O₃纳米棒复合的N－N异质结纳米材料，来改变复合材料形貌、晶粒尺寸、提高载流子浓度及形成势垒等，从而来克服两种材料工作温度高的缺点，实现对甲苯气体低功耗的检测。

本发明首先以四水合氯化锡作为出发原料，水和盐酸的混合溶液作为溶剂，镀 Pt硅片作为生长基底，利用超声喷雾热分解法成功在硅片上生长了SnO₂纳米线阵列前驱体，然后在空气中煅烧得到了SnO₂纳米线阵列材料；再以六水合三氯化铁和十水合硫酸钠作为触发原料，水和乙酸的混合溶液作为溶剂，利用水热法在已经生长有SnO₂纳米线阵列的硅片上复合α-Fe₂O₃纳米棒，然后在空气中煅烧得到了 SnO₂纳米线阵列与α-Fe₂O₃纳米棒复合的N-N结异质结结构纳米材料。