[发明专利]一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器

权利要求书

1.一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，其特征在于，所述氢气传感器包括自上而下依次设置的上电极层(1)、半导体薄膜层(2)、敏感层、氢敏金属薄膜层(6)和下电极层(7)，所述敏感层为位于半导体薄膜层和氢敏金属薄膜层之间的阵列结构，每个阵列单元包括与半导体薄膜层接触的半导体纳米柱(3)、与氢敏金属薄膜接触的氢敏金属纳米柱(5)、以及包覆于半导体纳米柱和氢敏金属纳米柱侧面的石墨烯网状结构(4)；

所述半导体型氢气传感器是通过以下方法制备得到的：

步骤1、采用化学气相沉积法在双通AAO模板的孔道内壁沉积一层石墨烯网状结构；

步骤2、采用磁控溅射法在步骤1处理后的双通AAO模板的上表面沉积半导体薄膜，下表面沉积氢敏金属薄膜，并使半导体和氢敏金属在AAO孔道内接触连通，形成肖特基结；

步骤3、采用磁控溅射法在步骤2处理后的AAO模板的上表面和下表面沉积电极层，并在磷酸溶液中腐蚀AAO模板，得到所述基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，其特征在于，所述半导体薄膜层为In₂O₃、ZnO、TiO₂或WO₃，厚度为50nm～500nm；所述氢敏金属薄膜层为Pd或Pt，厚度为50nm～500nm；所述半导体纳米柱的材料为In₂O₃、ZnO、TiO₂或WO₃，氢敏金属纳米柱的材料为Pd或Pt。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，其特征在于，所述上电极层和下电极层为Au或Cu，厚度为100nm～300nm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，其特征在于，所述敏感层中每个阵列单元的直径为90nm～900nm，高度为0.1μm～1μm。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，其特征在于，所述敏感层的每个阵列单元中，半导体纳米柱的高度为阵列单元高度的1/3～1/2。

6.一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用化学气相沉积法在双通AAO模板的孔道内壁沉积一层石墨烯网状结构；

步骤2、采用磁控溅射法在步骤1处理后的双通AAO模板的上表面沉积半导体薄膜，下表面沉积氢敏金属薄膜，并使半导体和氢敏金属在AAO孔道内接触连通，形成肖特基结；

步骤3、采用磁控溅射法在步骤2处理后的AAO模板的上表面和下表面沉积电极层，并在磷酸溶液中腐蚀AAO模板，得到所述基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器。

7.一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、双通AAO模板的预处理：依次采用酒精、丙酮、去离子水对双通AAO模板进行超声清洗，干燥；所述双通AAO模板的孔径为90nm～900nm，孔深为0.1μm～1μm；

步骤2、石墨烯网状结构的制备：采用化学气相沉积的方法，在步骤1清洗干燥后的AAO模板的孔道内壁沉积一层石墨烯网状结构；具体过程为：首先，将步骤1清洗干燥后的AAO模板在铁盐溶液中浸泡10～15min，吹干；随后，将其放入石英管反应腔内，在真空度低于10Pa的条件下将炉内温度升高至600℃～800℃，通入18mL/min～20mL/min的H₂，维持管内气压在130Pa～150Pa；然后，将反应腔内温度调整到600℃～700℃，通入流量为15mL/min～20mL/min的C₂H₂，维持管内气压在200Pa～300Pa，通过控制沉积时间为2～6h，在AAO模板内壁上沉积石墨烯网状结构，得到附着有石墨烯网的双通AAO模板；

步骤3、In₂O₃薄膜的制备：以纯度不低于99.99wt％的高纯In₂O₃陶瓷靶为靶材，采用射频反应溅射的方法在经步骤2所得到的附着有石墨烯网状结构的双通AAO模板的一侧沉积In₂O₃薄膜和纳米柱；具体工艺参数：背底真空度低于8×10^-4Pa，以气体流量比为O₂：Ar＝1:(17～20)的混合气体为溅射气体，溅射气压0.2Pa～1.0Pa，溅射功率60W～300W，溅射时间10min～45min；

步骤4、Pd薄膜的制备：以纯度不低于99.99wt％的高纯Pd金属靶为靶材，采用直流磁控溅射的方法在经步骤3所得到的双通AAO模板的另一面沉积氢敏金属Pd薄膜和纳米柱；具体工艺参数为：背底真空度低于8×10^-4Pa，以高纯Ar为溅射气体，溅射气压0.2Pa～0.8Pa，溅射功率40W～150W，溅射时间15min～40min，使得沉积的Pd纳米柱与In₂O₃纳米柱在石墨烯网状结构内接触连通，并形成肖特基势垒；

步骤5、上、下电极层的制备：采用磁控溅射法在步骤4得到的双通AAO模板的上表面和下表面分别沉积金属电极；然后置于质量分数为5wt％～10wt％的磷酸溶液中腐蚀，腐蚀时间2h～10h，腐蚀温度40℃～60℃；即可得到所述基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器。