一種納米二氧化錫氣敏材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體氧化物氣敏材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳修飾的Sn02納米氣敏材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化錫(Sn02)是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有載流子迀移率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，一直是人們研究的熱點(diǎn)。同時，Sn(V_能穩(wěn)定，氣體響應(yīng)值高，可通過摻雜實(shí)現(xiàn)氣體的選擇性響應(yīng)，是研究最多、使用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料之一。Sn02屬于η型半導(dǎo)體，主要缺陷為氧空位和錫間隙原子，當(dāng)Sn02處在空氣氣氛中時，02分子以化學(xué)吸附的形式(02、0、02)附著在于Sn02表面，形成電子耗盡層和空間勢皇，導(dǎo)致Sn02的電導(dǎo)率降低；此后，若空間中存在待檢測還原性氣體時，表面吸附態(tài)氧與還原性氣體發(fā)生反應(yīng)，原本被化學(xué)吸附態(tài)氧俘獲的電子又重新回到SnO#，導(dǎo)致Sn02的電導(dǎo)率重新升高。因此，通過測試Sn02材料電導(dǎo)率的改變就可達(dá)到檢測氣體及其濃度的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種碳修飾的Sn02納米氣敏材料的制備方法，通過高溫誘導(dǎo)乙炔氣體分解，生成的碳顆粒在Sn02表面沉積形成碳層，然后在惰性氣氛中退火處理，調(diào)控表面碳層的成分和形貌，最終得到氣敏性能增強(qiáng)的碳修飾的SnOjfi米氣敏材料。本發(fā)明與現(xiàn)有的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料制備方法如通過濺射或蒸發(fā)制備金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜、溶膠凝膠法制備特殊形貌的納米顆粒、修飾摻雜貴金屬如Pt、Pd、Au等方法相比，具有工藝簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且能顯著提升31!02氣敏材料的氣敏性能。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]—種納米二氧化錫氣敏材料的制備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:將31102粉末置于真空管式爐中，在惰性氣氛下升溫至200?600°C，保溫30 ?60min ；
[0007]步驟2:保持真空管式爐內(nèi)溫度不變，同時通入流量為10?100mL/min的惰性氣體和流量為20?150mL/min的乙炔(C2H2)氣體，至通入的乙炔的體積與Sn02的質(zhì)量的比為20?3000mL/g時，停止通入乙炔，并維持惰性氣體流量不變，以3?10°C /min的降溫速率冷卻到室溫，即得到碳包覆的31102顆粒粉末；
[0008]步驟3:將步驟2得到的碳包覆Sn02顆粒粉末置于真空管式爐內(nèi)，在惰性氣氛下300?800 °C退火處理1?12h，即得到本發(fā)明所述碳修飾SnOjR米氣敏材料。
[0009]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過常壓化學(xué)氣相沉積法，即在高溫環(huán)境下通入乙炔氣體，利用乙炔熱穩(wěn)定性差、易分解為碳和氫，并且生成的碳顆粒在31102表面沉積得到碳包覆的Sn02顆粒，然后在惰性氣氛下退火處理，得到碳修飾的納米Sn02氣敏材料。與未處理Sn02粉末相比較，本發(fā)明所述碳修飾納米SnO 2氣敏材料靈敏度、選擇性等氣敏性能均得到顯著提高；相對于其他氣敏材料性能提升方法，如通過濺射或蒸發(fā)制備金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜、溶膠凝膠法制備具有特殊微結(jié)構(gòu)形貌的納米材料、修飾摻雜貴金屬如Pt、Pd、Au等方法，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，且得到的碳修飾的Sn02m米氣敏材料的氣敏性能有顯著提高，在氣敏材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1?5制備的碳修飾的納米Sn02氣敏材料對lOOOppm的乙炔氣體響應(yīng)靈敏度隨測試溫度的變化曲線，其中Sl、S2、S3、S4和S5樣品分別為實(shí)施例1、
2、3、4、5得到的樣品；S0為未修飾的Sn02樣品；
[0011]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1?5制備的碳修飾的納米Sn02氣敏材料的XRD圖譜；
[0012]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的碳修飾的納米3]102氣敏材料的部分Raman光譜；
[0013]圖4為本發(fā)明實(shí)施例3制備的碳修飾的納米Sn02氣敏材料的HRTEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地介紹。
[0015]—種納米二氧化錫氣敏材料的制備方法，包括以下步驟:
[0016]步驟1:將Sn02粉末均勻分布在石英舟中，并水平置于真空管式爐恒溫區(qū)，在流量為10?100mL/min的惰性氣體氣氛下，以3?10°C /min的升溫速率由室溫升溫至200?600°C，保溫 30 ?60min ；
[0017]步驟2:保持真空管式爐內(nèi)溫度不變，同時通入流量為10?100mL/min的惰性氣體和流量為20?150mL/min的乙炔(C2H2)氣體，通入乙炔氣體的量為??每lg Sn02對應(yīng)通入20?3000mL乙炔；然后停止通入乙炔，并維持惰性氣體流量不變，以3?10°C /min的降溫速率冷卻到室溫，即得到碳包覆的Sn02粉末；
[0018]步驟3:將步驟2得到的碳包覆Sn02粉末放入石英舟中，并置于真空管式爐內(nèi)，在惰性氣體保護(hù)下300?800°C退火處理1?12h，即得到本發(fā)明所述碳修飾的納米3]102氣敏材料；
[0019]步驟4:將步驟3得到的碳修飾的納米31102氣敏材料涂覆于A1 203陶瓷管表面，焊接引腳及加熱絲制成氣敏傳感器，在室溫到500°C的溫度范圍內(nèi)測試其對氣體的響應(yīng)；其中，測試氣體為乙醇、甲燒、乙炔(C2H2)、氫氣(?)等。
[0020]實(shí)施例1
[0021]一種納米二氧化錫氣敏材料的制備方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1:稱取0.3g Sn02粉末均勻分布在石英舟中，將石英舟放入真空管式爐恒溫區(qū)，通入30mL/min的Ar氣作為保護(hù)氣體，然后以5°C /min的速率由室溫升溫至200°C，保溫 30min ；
[0023]步驟2:保持真空管式爐內(nèi)溫度200°C不變，同時通入流量為30mL/min的C2H2氣體和流量為60mL/min的Ar氣混合氣體，3min后，停止通入乙炔，并維持Ar氣60mL/min的流量不變，以3°C /min的降溫速率冷卻到室溫，即得到碳包覆的31102顆粒粉末；
[0024]步驟3:將步驟2得到的碳包覆的Sn02顆粒粉末放入石英舟中后置于真空管式爐內(nèi)，在流量為60mL/min的Ar保護(hù)下500°C退火2h，即得到本發(fā)明所述碳修飾的納米3]102氣敏材料；
[0025]步驟4:將步驟3得到的碳修飾的納米31102氣敏材料涂覆于A1 203陶瓷管表面，焊接弓I腳及加熱絲制成氣敏傳感器，在室溫到500 °C的溫度范圍內(nèi)測試其對乙炔氣體的響應(yīng)。
[0026]圖1為實(shí)施例1?5制備的碳修飾的納米Sn02氣敏材料對lOOOppm的乙炔氣體響應(yīng)靈敏度隨測試溫度的變化曲線；由圖1可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為400°C時(實(shí)施例3)制備所得的樣品對乙炔的氣敏性能最好，并且其靈敏度隨測試溫度先增加后降低，在370°C時達(dá)到最大值106.3。圖2為實(shí)施例1?5制備的碳修飾的納米Sn02氣敏材料的XRD圖譜；由圖2可知，與標(biāo)準(zhǔn)卡片(H)F#41-1445)對比可得，Sn02衍射峰明顯，未見明顯碳峰，說明反應(yīng)后粉末中碳含Μ很少。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]將實(shí)施例1步驟1中管式爐在Ar氣環(huán)境下升溫至300 °C，其余操作均與實(shí)施例1相同。
[0029]實(shí)施例3:
[0030]將實(shí)施例1步驟1中管式爐在Ar氣環(huán)境下升溫至400 °C，其余操作均與實(shí)施例1相同。
[0031]圖3為實(shí)施例3制備的碳修飾的納米31102氣敏材料的部分Raman光譜；其中位于1345cm 1附近sp 2雜化代表無序碳結(jié)構(gòu)的D峰和位于1590cm 1附近sp 2雜化代表有序碳結(jié)構(gòu)的的G峰，說明Sn02表面修飾的碳為石墨態(tài)和無定型態(tài)的碳復(fù)合物。圖4為本發(fā)明實(shí)施例3制備的碳修飾的納米Sn02氣敏材料的HRTEM照片；由圖4可知，在SnO 2顆粒表面沉積有許多半球狀的碳顆粒，且無規(guī)則的晶格條紋也證實(shí)了 31102顆粒表面修飾的碳具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
[0032]實(shí)施例4:
[0033]將實(shí)施例1步驟1中管式爐在Ar氣環(huán)境下升溫至500 °C，其余操作均與實(shí)施例1相同。
[0034]實(shí)施例5:
[0035]將實(shí)施例1步驟1中管式爐在Ar氣環(huán)境下升溫至600 °C，其余操作均與實(shí)施例1相同。
[0036]實(shí)施例6:
[0037]將實(shí)施例3步驟2中通入C2H2氣體的時間調(diào)整為lmin，其余操作均與實(shí)施例3相同。
[0038]實(shí)施例7:
[0039]將實(shí)施例3步驟2中通入C2H2氣體的時間調(diào)整為5min，其余操作均與實(shí)施例3相同。
[0040]實(shí)施例8
[0041]將實(shí)施例3步驟2中通入C2H2氣體的時間調(diào)整為lOmin，其余操作均與實(shí)施例3相同。
[0042]實(shí)施例9
[0043]將實(shí)施例3步驟2中通入C2H2氣體的流量調(diào)整為30mL/min，通入Ar氣的流量調(diào)整為30mL/min，通入C2H2氣體的時間調(diào)整為3min，其余操作均與實(shí)施例3相同。
[0044]實(shí)施例10
[0045]將實(shí)施例3步驟2中通入C2H2氣體的流量調(diào)整為90mL/min，通入Ar氣的流量調(diào)整為30mL/min，通入C2H2氣體的時間調(diào)整為3min，其余操作均與實(shí)施例3相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種納米二氧化錫氣敏材料的制備方法，包括以下步驟: 步驟1:將31102粉末置于真空管式爐中，在惰性氣氛下升溫至200?600°C，保溫30?.60min ； 步驟2:保持真空管式爐內(nèi)溫度不變，同時通入流量為10?100mL/min的惰性氣體和流量為20?150mL/min的乙炔氣體，至通入的乙炔的體積與Sn02的質(zhì)量的比為20?.3000mL/g時，停止通入乙炔，并維持惰性氣體流量不變，以3?10°C /min的降溫速率冷卻到室溫，即得到碳包覆的31102顆粒粉末； 步驟3:將步驟2得到的碳包覆Sn02顆粒粉末置于真空管式爐內(nèi)，在惰性氣氛下300?.800 °C退火處理1?12h，即得到本發(fā)明所述碳修飾Sn02m米氣敏材料。
【專利摘要】一種納米二氧化錫氣敏材料的制備方法，屬于半導(dǎo)體氧化物氣敏材料領(lǐng)域。本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法在SnO2納米顆粒表面通過乙炔氣體分解制備碳包覆的SnO2納米顆粒，后經(jīng)退火處理調(diào)控表面碳材料的構(gòu)成和形貌，得到氣敏性能顯著增強(qiáng)的碳修飾的納米SnO2氣敏材料。本發(fā)明首次將碳修飾的納米SnO2材料應(yīng)用于氣體檢測方向，相對于其他提高氣敏材料性能的方法，如濺射或蒸發(fā)制備金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜、溶膠凝膠法制備具有特殊微結(jié)構(gòu)形貌的納米顆粒、修飾摻雜貴金屬Pt、Pd、Au等方法，本發(fā)明具有方法簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，且得到的碳修飾的SnO2納米氣敏材料的氣敏性能有顯著的提高，在氣敏材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類】G01N27/12
【公開號】CN105424763
【申請?zhí)枴緾N201510725990
【發(fā)明人】王超, 徐豹, 欒春紅, 梁瑩林, 姜晶, 楊萍, 伍思昕
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年10月30日