一種基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體氧化物甲烷氣體傳感器的，尤其涉及一種摻雜金屬鉑顆粒的氧化釩薄膜、室溫檢測甲烷氣體傳感器的制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，我國煤礦瓦斯爆炸事故居高不下，對礦工的安全造成極大的傷害。而罪魁禍首就是甲烷。甲烷是瓦斯的最主要成分，是無色、無味、易燃、易爆氣體。一定濃度的甲烷(甲烷的爆炸極限濃度在空氣中是5% -15% )與氧氣混合后遇到微小的火花就會發生爆炸。目前，對于甲烷氣敏傳感器的研宄大多是基于氧化鋅，氧化錫等廣泛研宄的半導體金屬氧化物材料。但是這些半導體氧化物傳感器的工作溫度高，其制造傳感器老化加快，穩定性下降，并使得功耗增加。目前，實現甲烷氣體的室溫檢測仍然是一項極富挑戰性的任務。
[0003]二氧化釩作為一種熱致相變金屬氧化物半導體材料，在68°C附近，由低溫半導體單斜結構轉變為高溫金屬四方金紅石結構，同時伴隨著電阻率、磁化率、光透射的變化。因此廣泛應用于光電開關材料、智能玻璃、存儲器等。2014年A.K.Prasad等人發現二氧化隹凡對甲烷氣體具有敏感特性，但是其工作溫度為50°C，仍高于室溫。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法，克服現有技術中甲烷氣敏傳感器工作溫度高的問題。
[0005]本發明的技術方案是:
[0006]一種基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)清洗陶瓷片基底:
[0008]在超聲清洗器中分別用丙酮、無水乙醇超聲清洗陶瓷襯底，之后用去離子水、無水乙醇清洗陶瓷襯底，最后用紅外線快速干燥箱干燥；
[0009](2)濺射交叉鉑電極:
[0010]用高真空磁控濺射鍍膜機在上述已經清洗干凈的陶瓷片襯底上鍍鉑的交叉電極；
[0011 ] (3)濺射金屬釩的薄膜:
[0012]用超高真空直流對靶磁控濺射儀在陶瓷片襯底上淀積金屬釩膜；
[0013](4)摻雜濺射金屬鉑顆粒:
[0014]用高真空磁控濺射鍍膜機進行釩金屬薄膜部分金屬鉑的摻雜，在氧化釩納米薄膜上形成鉑的納米顆粒；
[0015](5)快速退火制備氧化釩薄膜:
[0016]將制得的金屬鉑摻雜的釩納米薄膜放入快速退火爐中進行退火，獲得氧化釩薄膜。
[0017]所述步驟(3)淀積金屬I凡薄膜厚度為150nm。
[0018]所述步驟(5)退火過程中，通入純氧，退火溫度為400°C -500°C。
[0019]本發明的有益效果為:
[0020]I)制備的摻雜鉑的氧化釩復合薄膜顆粒尺寸在納米級別。工藝簡單，參數較少且可控性尚，能夠縮短制備時間，提尚樣品重復性。
[0021]2)展示了一種可室溫探測甲烷氣體，具有較高靈敏度、較高選擇性、摻雜金屬鉑顆粒的氧化釩薄膜甲烷氣敏傳感器的制備方法。
[0022]鉑作為一種貴金屬材料，摻入到半導體氣敏材料后，可以在室溫下對甲烷進行催化，從而影響整個引起整個敏感材料的電導率的變化，提高傳感器的活性，降低其工作溫度。除此之外，其還能大幅度提高氣敏傳感器的靈敏度。
【附圖說明】
[0023]圖1是摻金屬鉑的氧化釩薄膜掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖2是本發明的方法制備摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器的結構示意圖；
[0025]圖3是在450°C退火、摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器在室溫下對500ppm甲烷氣體的響應/恢復曲線圖；
[0026]圖4是在450°C退火的氧化釩薄膜氣敏傳感器的相變特性；
[0027]圖5是在450°C退火、摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器材料XRD曲線；
[0028]圖6是在460°C退火、摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器在室溫下對500ppm甲烷氣體的響應/恢復曲線圖；
[0029]圖7是在460°C退火的氧化釩薄膜氣敏傳感器的相變特性；
[0030]圖8是在460°C退火、摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器XRD材料曲線；
[0031]圖9是在470°C退火、摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器在室溫下對500ppm甲烷氣體的響應/恢復曲線圖；
[0032]圖10是在470°C退火的氧化釩薄膜氣敏傳感器的相變特性；
[0033]圖11是在470°C退火、摻金屬鉑的氧化釩薄膜氣敏傳感器材料XRD曲線。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0035]實施例1
[0036]I)清洗陶瓷片基底:
[0037]把購買的陶瓷襯底切割成長寬尺寸為10mmX25mm左右。之后在超聲清洗器中分別用丙酮、無水乙醇超聲清洗15分鐘。用去離子水、無水乙醇清洗陶瓷襯底。最后用紅外線快速干燥箱干燥5分鐘。到達清洗襯底表面的目的。
[0038]2)濺射交叉鉑電極:
[0039]用JCP-200高真空磁控濺射鍍膜機在上述已經清洗干凈的陶瓷片襯底上鍍鉑的交叉電極。靶材采用純度為99.99%高純度金屬鉑。氬氣流速為24SCCm，濺射壓強0.0E-5，濺射功率為100W，基底保持室溫，濺射時間2分鐘。
[0040]3)濺射金屬釩的薄膜:
[0041]用DPS-1II型超高真空直流對靶磁控濺射儀在陶瓷片襯底上淀積金屬釩膜。靶材選用純度為99.99%的金屬|凡。淀積金屬I凡薄膜厚度約150nm。
[0042]4)慘參雜派射金屬銷顆粒:
[0043]用JCP-200高真空磁控濺射鍍膜機進行釩金屬薄膜部分金屬鉑的摻雜。靶材采用純度為99.99%高純度金屬鉬，在氧化I凡納米薄膜上形成鉬的納米顆粒。
[0044]5)快速退火制備氧化釩薄膜:
[0045]將制得的金屬鉑摻雜的薄膜放入快速退火爐中進行退火，獲得氧化釩薄膜。退火過程中，通入純度為99.99%的氧氣，退火溫度為450°C，保溫時間為270s。(制得成品如圖2所示)
[0046]本實施例制得的氣敏傳感器在室溫時對500ppm甲烷氣體進行測試，在500ppm甲烷氣體下，傳感器靈敏度是1.07，圖3顯示甲烷響應敏感曲線，圖4是450°C退火氧化釩相變特性，圖5是所做甲烷傳感元件材料的XRD曲線。
[0047]實施例2
[0048]本實施例與實施例1相似，不同之處在于:步驟5)中退火溫度為460°C。所制得的氣敏傳感器元件在室溫時對500ppm甲烷氣體的靈敏度為1.18，圖6顯示甲烷響應敏感曲線，圖7是460°C退火氧化釩相變特性，圖8是所做甲烷傳感元件材料的XRD曲線。
[0049]實施例3
[0050]本實施例與實施例1相似，不同之處在于:步驟5)中退火溫度為470°C。所制得的氣敏傳感器元件在室溫時對500ppm甲烷氣體的靈敏度為1.05，圖9顯示甲烷響應敏感曲線，圖10是470°C退火氧化釩相變特性，圖11是所做甲烷傳感元件材料的XRD曲線。
[0051]對比例I
[0052]本實施例與實施例1相似，不同之處在于:沒有步驟4)，不進行參雜金屬鉑，在450°C進行退火，做出一個沒有參雜的氧化釩的薄膜的對照樣品。本實例做得的氣敏傳感器在500ppm甲烷響應較小，與前面實施例1樣品形成對照。
[0053]對比例2
[0054]本實施例與實施例1相似，不同之處在于:沒有步驟4)，不進行參雜金屬鉑，在460°C進行退火，做出一個沒有參雜的氧化釩的薄膜的對照樣品。本實例做得的氣敏傳感器在500ppm甲烷響應較小，在1.01左右，與前面實施例2樣品形成對照。
[0055]對比例3
[0056]本實施例與實施例1相似，不同之處在于:沒有步驟4)，不進行參雜金屬鉑，在470°C進行退火，做出一個沒有參雜的氧化釩的薄膜的對照樣品。本實例做得的氣敏傳感器在500ppm甲烷響應較小，與前面實施例3樣品形成對照。
[0057]本發明采用摻雜金屬鉑顆粒的氧化釩納米薄膜傳感器對檢測氣體的敏感特性，氣敏元件的靈敏度S = Ra/Rg，其中Rg、Ra*別為元件在檢初始穩定阻值和與通入氣體后穩定的阻值。
[0058]本發明所制備的參雜金屬鉑顆粒的氧化釩薄膜氣敏傳感器，是新型檢測室溫下甲烷氣體傳感器的理想材料。
[0059]盡管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)清洗陶瓷片基底: 在超聲清洗器中分別用丙酮、無水乙醇超聲清洗陶瓷襯底，之后用去離子水、無水乙醇清洗陶瓷襯底，最后用紅外線快速干燥箱干燥； (2)濺射交叉鉑電極: 用高真空磁控濺射鍍膜機在上述已經清洗干凈的陶瓷片襯底上鍍鉑的交叉電極； (3)濺射金屬釩的薄膜: 用超高真空直流對靶磁控濺射儀在陶瓷片襯底上淀積金屬釩膜； (4)摻雜濺射金屬鉑顆粒: 用高真空磁控濺射鍍膜機進行釩金屬薄膜部分金屬鉑的摻雜，在氧化釩納米薄膜上形成鉑的納米顆粒； (5)快速退火制備氧化釩薄膜: 將制得的金屬鉑摻雜的釩納米薄膜放入快速退火爐中進行退火，獲得氧化釩薄膜。
2.根據權利要求1所述基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)淀積金屬I凡薄膜厚度為150nm。
3.根據權利要求1所述基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)退火過程中，通入純氧，退火溫度為400°C -500°C。
【專利摘要】本發明提供了一種基于氧化釩的室溫甲烷氣體傳感器的制備方法，首先濺射，淀積交叉金屬鉑電極，通過直流磁控濺射鍍金屬釩納米薄膜，再濺射摻雜金屬鉑顆粒，然后利用快速退火技術進行氧化生成氧化釩，最后進行傳感器的氣敏測試。本發明方法克服其他甲烷傳感器工作溫度點高的缺點，簡單、易操作、在室溫工作，是一種具有較高靈敏度、較高選擇性、摻雜金屬鉑顆粒的氧化釩薄膜甲烷氣敏傳感器的制備方法。
【IPC分類】C23C14-58, C23C14-14, C23C14-35
【公開號】CN104878360
【申請號】CN201510324955
【發明人】梁繼然, 劉俊鋒, 李娜, 李文嬌
【申請人】天津大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月12日