[发明专利]一种树枝状VO2@ZnO核壳复合结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种树枝状VO₂@ZnO核壳复合结构的制备方法。

背景技术

近年来，随着纳米技术研究的不断深入，各种不同形貌的纳米结构陆续被合成，如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒等。纳米尺度下的半导体材料往往能够表现出一些独特的效应，包括表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等。这些特殊的效应使得纳米材料拥有许多奇特的物理、化学性质，具有常规尺寸材料所不具备的潜在应用价值。纳米材料由于具有极小的颗粒尺寸和巨大的比表面积，能够促进气体的吸附并且提高气敏性能，使其在气敏传感器方面的应用引起广泛关注。

VO₂作为一种热致相变金属氧化物N型半导体材料，相变温度在68℃附近，可发生绝缘体-金属的转变(MIT)，二氧化钒单斜结构转变为高温金属四方金红石结构，同时伴随着电阻率、磁化率、光透射的变化。因此广泛应用于光电开关材料、智能窗、存储器等方面。近年来，不同相态的VO₂的气敏性能陆续被报道。VO₂主要用于检测可燃易爆性气体CH₄以及H₂。

ZnO半导体材料常温下禁带宽度约为3.37eV，属于宽禁带半导体，具有良好的光电、压敏、压电以及气敏、光催化等性能。ZnO已被认为是电子工业中最重要的半导体材料之一，关于ZnO的研究(包括制备、性能及应用)也一直在半导体领域占有重要地位。而传感器作为ZnO重要应用领域之一，随着纳米材料科学的兴起而不断向前发展。单纯的ZnO作为气敏传感器的敏感材料，可探测乙醇、丙酮、氨气等气体，但缺乏稳定性和选择性，限制了其在很多领域的应用。为了提升灵敏度，降低工作温度，提高稳定性和选择性，已满足实际应用的需求，目前主要通过掺杂、表面贵金属修饰、异质结复合等方法来改善气敏传感器的性能。

当两种不同的半导体材料接触以后，由于费米能级不同，界面处二者的费米能级会产生相对移动直至平衡，这种由于费米能级不一致导致的电荷转移通常会在界面处形成电荷耗尽层、势垒，而这种独特的特性会提高传感器的气敏响应。由于小尺寸、高比表面积的协同作用，纳米异质结结构常被用来提高气体传感器气敏特性，但其中有关异质结的宏观性质诸如载流子输运过程、能带、结构缺陷、复合以及气体与界面之间的气-固化学反应的机理，都有待深入研究。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种树枝状VO2@ZnO核壳复合结构的制备方法，克服现有技术中气敏传感器的工作温度高、灵敏度差的问题。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：一种树枝状VO₂@ZnO核壳复合结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)水热法制备VO₂纳米棒：

所用前驱反应物为V₂O₅粉末和草酸二水合物粉末，用电子天平称取草酸二水合物粉末，搅拌溶解在去离子水中配成溶液；称取V₂O₅粉末加入到上述溶液中继续搅拌，直到形成绿色透明溶液；将得到的溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，装好反应釜外壳，将反应釜放置于干燥箱中，设置180℃反应24-36h；待反应结束后，自然冷却到室温，用离心机分离出黑色沉淀产物，分别用去离子水和无水乙醇清洗数次；

(2)ZnO种子液的制备：

取洁净的烧瓶，60℃～66℃范围内的水浴下在烧瓶内配制浓度为0.01M的二水乙酸锌的甲醇溶液，剧烈搅拌伴随整个过程；在烧杯内配制0.03M氢氧化钾的甲醇溶液，并将此溶液逐滴滴入到二水乙酸锌的甲醇溶液中；

(3)制备ZnO纳米种子表面吸附的VO₂纳米棒：

将步骤(1)中制得的VO₂纳米棒分散到步骤(2)中的ZnO种子液中，室温下搅拌40min-60min；分离出VO₂纳米棒，并用去离子水清洗，用去离子水定容待用；

(4)表面壳层ZnO纳米棒的生长：

将步骤(3)中得到的适量吸附ZnO种子的VO₂纳米棒的水溶液加入到二水乙酸锌和六次甲基四胺摩尔比为1:2的溶液中，在90℃油浴下反应2-6h；反应结束后将产物分离出并清洗。

所述步骤(1)V₂O₅粉末和草酸二水合物粉末摩尔比为1:1～3，均为分析纯级别，未进行后续提纯处理。