[发明专利]一种H2

说明书

本发明提供一种基于Zn元素掺杂α‑Fe₂O₃纳米棒的气敏元件及其制备方法，以黄铁矿为原料，通过化学浸出法得到含Fe³⁺的浸出液来合成α‑Fe₂O₃纳米材料，再通过向前驱液中掺入Zn元素以制备出灵敏度较高、选择性较好的新型α‑Fe₂O₃基气敏材料，然后将掺杂Zn元素的α‑Fe₂O₃基气敏材料通过浆液的形式均匀涂覆到电极元件表面得到气敏元件，克服现有α‑Fe₂O₃气敏材料制备成本高、灵敏度低及选择性差等方面存在的问题。

技术领域

本发明属于半导体氧化物的气敏元件技术领域，具体涉及一种基于Zn离子掺杂α-Fe₂O₃纳米棒的气敏元件及其制备方法。

背景技术

随着工业化进程的不断加快，大量有毒有害气体被排放到大气中。为了对有毒有害气体的排放进行监测，需要开发简单、高效并且可以对低浓度气体进行检测的气敏元件。在种类繁多的气敏元件中，金属氧化物半导体型气敏元件因其具有灵敏度高、响应/恢复速度快、易于集成和价格低廉等优点而得到广泛应用。根据导电类型的不同，金属氧化物半导体可以分为n型和p型。其中，n型半导体的多数载流子是电子，典型的n型半导体包括氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO₂)、氧化铁(Fe₂O₃)、氧化钨(WO₃)、氧化钛(TiO₂)及氧化铟(In₂O₃)等；p型半导体的多数载流子是空穴，典型的p型半导体包括氧化铜(CuO)、氧化镍(NiO) 及氧化铬(Cr₂O₃)等。理论上讲，这些金属氧化物半导体材料都可以作为气敏材料应用，但实验已经证明n型半导体材料在气敏特性上要普遍优于p型半导体。

氧化铁(禁带宽度2.1eV)是最为常见且用途非常广泛的一类n型金属氧化物半导体材料，主要有α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃两种晶体类型。其中，γ-Fe₂O₃为亚稳定相，当温度达到400℃以上时，会发生晶相转变而转变为α-Fe₂O₃。由于γ-Fe₂O₃相的结构不稳定，因此，α-Fe₂O₃比γ-Fe₂O₃具有更加实用的价值。此外，由于纳米级α-Fe₂O₃的表面效应及量子效应，当制备的氧化铁材料尺寸达到纳米级时，α-Fe₂O₃粒子的表面会变得异常活跃，材料将会表现出良好的气敏性能。因此，纳米α-Fe₂O₃被广泛用作气敏材料。

尽管纳米α-Fe₂O₃用作气敏材料具有一系列优良的性能，但在发展高灵敏度及高选择性的α-Fe₂O₃气敏材料方面仍然面临很大的挑战。为了获得更加优异的气敏性能，研究者们围绕元素掺杂、构建异质结构、添加催化剂等方面开展了大量系统深入的研究。其中，元素掺杂被认为是一种非常简单有效的改性方式，适量的元素掺杂对于金属氧化物材料气敏性能的提升往往具有非常明显的效果。贵金属元素掺杂在这方面应用较为广泛且表现出良好的应用前景，但贵金属掺杂成本较为高昂，不利用气敏元件的商业化应用；而且目前制备纳米α-Fe₂O₃多使用化学试剂合成，这也增加了气敏材料的制备成本。

发明内容