[发明专利]一种气体传感器及其制备方法

说明书

本发明公开一种气体传感器及其制备方法，具有至少一个气体敏感层，气体敏感层包括气体敏感材料薄膜和气体敏感电极，气体敏感材料薄膜的敏感材料是掺有金属钴元素的黑磷材料，厚度为1～10个原子层厚；其中，黑磷材料是由红磷及锡的碘化物制备，钴原子在掺杂的黑磷结构中的原子数所占比例为2％～10％。进一步的，本发明还公开基于该气体传感器用于检测一氧化碳气体的作用，及该传感器制备方法。本发明的气体传感器提高了气敏材料与一氧化碳的结合能力，促进气体分子的吸收，确保了气体传感器的稳定性；也提高了气体传感器的灵敏度和对一氧化碳气体的选择性；且以二维材料黑磷为基础的气体传感器的厚度可以做的很薄。

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，特别涉及一种基于金属钴掺杂的黑磷结构的气体传感器及其制备方法和应用。

背景技术

一氧化碳是石油，煤等含碳物质不完全燃烧的产物，随着世界各国经济交通的迅速发展，煤和石油的消耗量逐渐增长，一氧化碳的排放量也随之增多，成为目前环境污染，尤其是城市大气污染的重要来源之一。同时一氧化碳也是一种人们生活中常见的有毒气体，这种气体无色，无嗅，无刺激性，几乎不溶于水，随着空气进入人体后会经过肺泡进入血循环，由于与血红蛋白的亲和力远大于氧与血红蛋白，使得血红蛋白失去了携氧的能力和作用。随着一氧化碳的吸入量的增长，与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白的饱和度大大提高。一氧化碳中毒者会出现头痛，恶心，视网膜出血等症状，脉搏呼吸变慢，重度患者会迅速进入昏迷，血压下降，瞳孔扩大，最后呼吸麻痹衰竭而死亡。暴露于一氧化碳环境中过严重损害心脏和中枢神经系统，对孕妇以及儿童造成严重危害，并且会产生后遗症。因此，对一氧化碳气体的严格检测成为当务之急。

黑磷作为具有原子层厚度的新型二维材料，不但具有与石墨烯相同的导电性而且还具有石墨烯不具有的半导体能带间隙，同时与体材料不同的优异特性，如能带间隙的可调性，少层黑磷的多电子效应以及高度各向异性使得黑磷在高性能纳米电子器件，光学器件，气体传感器，能量存储等方面的应用拥有着广泛的前景和空间。尤其作为二维材料，非常高的表面积-体积比使得在气体吸附方面具有非常大的优势，使之成为理想的气体吸附材料。但是各项研究表明黑磷对气体吸附缺乏稳定性并且材料性质不发生明显变化，使得黑磷材料的气体传感器在灵敏度和气体选择性方面受到很大的制约，非常不利于气体吸附和检测。因此，越来越多的实验研究不同金属掺杂少层黑磷，通过提高黑磷的化学活性以及寻求化学反应过程中形成的材料基本性质的变化，从而提高气体传感器的灵敏特性。

发明内容

本发明的公开了一种以金属钴元素掺杂的少层黑磷为气敏材料的气体传感器及制备方法，以及这种材料对一氧化碳气体检测的应用。

本发明公开一种气体传感器，具有至少一个气体敏感层，气体敏感层包括气体敏感材料薄膜和气体敏感电极，气体敏感材料薄膜的敏感材料是掺有金属钴元素的黑磷材料，厚度为1～10个原子层厚；其中，黑磷材料是由红磷及锡的碘化物制备，钴原子在掺杂的黑磷结构中的原子数所占比例为2％～10％。

进一步的，黑磷材料中红磷、Sn和SnI₄的质量比为50:2:1。

进一步的，气体敏感薄膜是钴原子在掺杂的少层黑磷结构中的原子数所占比例为2.78％。

进一步的，气体敏感薄膜的厚度为8～10个原子层厚。

进一步的，黑磷材料是在真空度小于10^-3Pa的条件下，将温度在8小时内提升至650℃并且保持5小时温度不变，在7.5小时后冷却至550℃并且保持6小时温度不变，最后冷却至室温制得。

进一步的，气体敏感电极包括由Ti制备的黏附层和由Au制备的接触层。

进一步的，气体传感器还包括半导体衬底、位于半导体衬底上的阻挡层、位于阻挡层上的保护层、位于保护层上的加热电极、覆盖在加热电极及保护层上的绝缘层，绝缘层上开有直接连接加热电极的连接孔；气体敏感层位于绝缘层上。