[发明专利]基于In2O3-ZnO复合物纳米敏感材料的NO2气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于三维反蛋白石结构In₂O₃‑ZnO复合物纳米敏感材料的可见光增强型室温NO₂气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。为旁热式器件结构，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al₂O₃陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的三维反蛋白石结构In₂O₃‑ZnO复合物纳米敏感材料和垂直于陶瓷管轴向方向设置的白光二极管组成。测试结果表明，该传感器对5ppm NO₂的灵敏度高达54.3，检测下限可达到250ppb，具有快速响应和恢复速率，具有良好的选择性和可重复性。因此可以得知，本发明所述传感器在大气环境NO₂室温检测及可见光增感型电子器件领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于三维反蛋白石结构In₂O₃-ZnO复合物纳米敏感材料的可见光增强型室温NO₂气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着大气环境污染的加剧、安全事故的频发、以及化石能源、军工、航空航天等领域的迅速发展。气体传感器作为传感领域的一个大系，受到了高度的重视。其中，作为气体传感器一个重要分支的半导体式气体传感器，由于其具有价格低、全固态、体积小、可集成化等优点而逐渐进入了人们的视野中。虽然在半导体氧化物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、选择性和稳定性，以及降低气体传感器的工作温度。

传统的半导体氧化物气体传感器的最佳工作温度一般在150～400℃范围内，在此条件下才能保证器件获得优异的灵敏度和快速的响应恢复特性。这就使得传统器件都需安装加热丝、加热板等加热器，这不仅使传感器结构变得复杂，也会由较高的工作温度导致的非本质安全、稳定性变差等负面影响。

近年来，在敏感材料研究方面，一维、二维、三维结构的纳米材料、特殊形貌的半导体氧化物以及复合化合物被作为敏感材料广泛用于提高气体传感器的气敏特性。其中，三维反蛋白石结构由于具有特殊的三维大孔有序阵列结构而受到广泛的关注，相比于一维纳米线、纳米棒，二维纳米薄膜等其他结构，其具有较大的比表面积，因而可以提供较多的活性位点，有利于半导体材料与气体分子充分接触，以及气体分子的扩散。另外，由于其长程有序大孔结构，因而在可见光范围内具有周期性变化的折射率，从而具有慢光子效应与多重散射，这有利于提高半导体材料对光的吸收和利用。基于这种特殊的多孔结构，来制备具有三维反蛋白石结构的纳米复合材料，可以进一步提高半导体氧化物传感器的敏感特性，因为不同半导体氧化物敏感材料的复合和组装可以形成局部的N-N接触或P-N接触提高了传感材料的载流子迁移率。最近，除了新气敏材料的开发与制备工艺的改进，国内外研究人员还发现通过光(紫外光、可见光)激励的方式可以显著提高半导体氧化物气体传感器的敏感特性以及降低传感器的工作温度。

总之，光增感型气体传感器的研究刚刚起步，它在高灵敏度、低功耗、低工作温度方面表现出的优异性能倍受关注。开展具有特殊结构的复合材料的设计和制备，并将其应用于可见光增感型的气体传感器，力争使得气体传感器工作温度降低，便于集成和应用，对于扩大气体传感器的应用具有十分重要的科学意义。

发明内容

本发明目的是提供一种基于三维反蛋白石结构In₂O₃-ZnO复合物纳米敏感材料的可见光增强型室温NO₂气体传感器，并同时提供一种高效、简便的制备三维反蛋白石结构In₂O₃-ZnO复合物纳米敏感材料的方法，并提出一种新的器件结构来实现可见光激励下室温NO₂气体检测。