原位合成具有二級孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鎘納米氣敏元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于氣敏元件的，尤其涉及一種采用化學(xué)氣相沉積的方法原位合成具有二級孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鎘納米氣敏元件。
【背景技術(shù)】
[0002]乙醚是一種具有特殊氣味的無色易燃液體，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。乙醚的分子式C2H5OC2H5，是一種無色、易燃、極易揮發(fā)的液體，其氣味帶有刺激性，被當(dāng)作吸入性麻醉劑，也是常見的毒品。乙醚蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，當(dāng)它遇到火花、高溫、氧化劑、高氯酸、氯氣、氧氣、臭氧等，就有發(fā)生燃燒爆炸的危險(xiǎn)，有時(shí)也因靜電而起火(爆炸極限1.9%?36%，V/V)。由于其極易揮發(fā)，不可避免地滲入人們的生活中，危害著人們的身體健康，長期低濃度吸入，有頭痛、頭暈、蛋白尿、紅細(xì)胞增多癥，參見Xueli Yu，ChangshengXie,Li Yang.Sensors and Actuators B:Chemical ,2014，(195):439-445.因此，為了人類生命和財(cái)產(chǎn)的安全，對乙醚氣體實(shí)現(xiàn)有效地探測是一項(xiàng)迫切而有意義的研究。
[0003]氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，其中半導(dǎo)體傳感器是采用半導(dǎo)體材料制成的氣敏元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，弓丨起載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率、伏安特性或表面電位變化。(參見何道清.傳感器與傳感器技術(shù).北京:科學(xué)出版社，2003。)半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、靈敏度高、響應(yīng)迅速、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最廣。氣敏傳感器最重要的特性參數(shù)有工作溫度、靈敏度、選擇性、響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間、穩(wěn)定性等。參見Kawasaki H，Ueda T，Suda Y，etal.Sensors and Actuators B，2004，100:266-269。
[0004]現(xiàn)存的乙醚探測材料大多為半導(dǎo)體金屬氧化物的分級結(jié)構(gòu)納米材料，如CdO的納米樹枝晶，參見Xiangqian，F(xiàn)u，Jinyun，Liu，Tianli，Han.Sensors and Actuators B:Chemical ,2013，(184):260-267，Ti02多孔納米薄膜，參見Xueli Yu，Changsheng Xie1LiYang.Sensors and Actuators B: Chemical，2014，( 195): 439-445，Sn02納米花等，參見Yang,Liu,Yang,Jiao ,Zhenglin，Zhang.ACS Appl.Mater.1nterfaces ,2014,(6):2174-2184。這些材料的制作方法多采用溶劑熱加燒結(jié)的方法，過程較為復(fù)雜，制備溫度高，耗能大，并不適合大規(guī)模低成本生產(chǎn)。并且在組裝器件的過程中，所使用的工藝也比較復(fù)雜，大大的影響了后期器件的推廣使用。在性能方面，這類氣敏材料普遍對多種可燃?xì)怏w均有響應(yīng)，所以對乙醚的選擇性較弱，不能夠較為有效地實(shí)現(xiàn)對于乙醚快速準(zhǔn)確的有效得探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的，是針對現(xiàn)有的二維材料在用作氣敏材料時(shí)容易團(tuán)聚、原位合成氣敏器件研究少，尤其是乙醚探測器件制備工藝復(fù)雜、對乙醚的選擇性差等問題，利用氧化鋅納米棒陣列作為種子層，用化學(xué)氣相沉積的方法在氧化鋅納米棒種子層上生長得到鎘納米片陣列，在空氣中氧化得到具有二級孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鎘納米片陣列后原位合成氣敏元件，實(shí)現(xiàn)對乙醚具有高選擇性和較短響應(yīng)時(shí)間的氣敏元件。本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙、工藝簡單、安全可控、成本低廉。本發(fā)明制得的氣敏器件可以有效地實(shí)現(xiàn)對于乙醚的選擇性響應(yīng)，并且提出了二級孔洞這一對于氣敏有較好的響應(yīng)能力的納米結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]一種原位合成具有二級孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鎘納米氣敏元件，具有如下步驟:
[0008](I)氧化鋅納米棒陣列種子層的合成
[0009]①將乙二醇獨(dú)甲醚作為溶劑，配置濃度為0.1M的醋酸鋅和0.2M的乙醇胺的混合溶液；以載玻片作為基底浸入上述溶液中30s，再將載玻片基底置于烘箱中干燥處理;重復(fù)上述操作兩次后，將上述載玻片基底在空氣中于500°C退火處理Ih，使得種子層與載玻片基底牢固接觸；
[0010]②將去離子水作為溶劑，配置濃度為0.025M的硝酸鋅和0.025M的六次亞甲基四胺的混合溶液；
[0011]取60-80ml的上述混合溶液于反應(yīng)釜中，并將上述載玻片基底放入盛有混合溶液的反應(yīng)釜中，有種子層的一面朝下，混合溶液的高度恰好沒過基片；
[0012]③將反應(yīng)釜放入烘箱中，在100°C的溫度下保溫9小時(shí)，然后取出上述載玻片基底，用去離子水小心地將載玻片基底上的白色沉淀物沖洗干凈，得到氧化鋅的納米棒陣列；
[0013](2)氧化鎘納米結(jié)構(gòu)的合成及氣敏器件的制備
[0014]①將0.05g的CdS粉末置于真空管式爐的中央，然后將上述長有氧化鋅的納米棒陣列的載玻片基底放置于距離CdS粉末30cm處；
[0015]②將真空管式爐抽真空至lOOmTorr，再同時(shí)通入的氮?dú)夂涂諝?，并將管?nèi)壓力調(diào)節(jié)至OTorr，升溫至650°C，保溫30min，自然冷卻至室溫，得到Cd的納米片陣列；
[0016]③對上述得到的Cd的納米片陣列的載玻片基底在空氣中于360?440°C溫度下保溫30min，氧化得到氧化鎘的納米結(jié)構(gòu)；
[0017]④將生長有復(fù)合結(jié)構(gòu)的載玻片基底裁剪成大小為0.5cmXIcm的矩形，并用銀漿在兩端涂覆兩條電極，再于100°C下保溫6小時(shí)，制得具有二級孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鎘納米氣敏器件。
[0018]所述步驟(I)①的載玻片基底的規(guī)格為2cmX 4cm。
[0019]所述步驟(2)②通入的空氣的流量為250sccm，氮?dú)獾牧髁繛?5sccm。
[0020]本發(fā)明氣敏原件的最佳工作溫度為215°C。
[0021]本發(fā)明的有益效果如下:
[0022]本發(fā)明克服了現(xiàn)有二維半導(dǎo)體氣敏器件在制作過程中容易團(tuán)聚的問題，采用氧化鋅納米棒陣列作為種子層，進(jìn)行原位的合成具有二級孔洞的氧化鎘，可以排除使用化學(xué)氣相沉積方法在氧化鎘納米片下面產(chǎn)生的膜結(jié)構(gòu)對于氣敏性能的影響，并且后續(xù)的制作器件的工藝簡單，有利于大范圍推廣。具有二級孔洞結(jié)構(gòu)的氧化鎘制備得到的器件在215°C的溫度下對于10ppm的乙醚的響應(yīng)值達(dá)到了 138%，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為15秒和27秒左右，并且實(shí)現(xiàn)了對乙醚的高選擇性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙、工藝簡單、安全可控、成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0023]圖1是實(shí)施例1具有二級孔洞的氧化鎘長在氧化鋅納米棒上的截面圖；
[0024]圖2是氧化鎘的形貌和物相表征圖:
[0025](a)是實(shí)施例2氧化鎘納米片陣列的形貌圖；
[0026](b)是實(shí)施例1具有二級孔洞氧化鎘的形貌圖；
[0027](C)是實(shí)施例3網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)氧化鎘的形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0029]實(shí)施例1
[0030](I)氧化鋅納米棒陣列種子層的合成
[0031 ]①將乙二醇獨(dú)甲醚作為溶劑，配置濃度為0.1M的醋酸鋅和0.2M