薄膜光助氣敏元件及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于氣敏傳感器領域，具體涉及用原位生長法制備1102薄膜氣敏元件，以促進其在紫外光作用下對特定氣體的氣敏響應性能。
【背景技術】
[0002]隨著科技現代化的發展，環境污染日益加劇，采用綠色環保的方式監測一些有毒有害氣體，對預防有害氣體危害人們健康有著重要的意義。氣敏傳感檢測或許是一種比較高效環保的一種可行的手段。目前已經有許多研究人員用氣敏的手段來檢測像CO、H2,CH3OH, NH3, NO2, H2S等等這類氣體，氣敏傳感器作為一種比較便捷綠色的設備也被大量研究，它是一種氣敏材料對特定氣體做出的感應，并將其轉化成電信號，以此來檢測氣體的含量的傳感器。半導體金屬氧化物傳感器是氣體敏感傳感器中的一類，它在靈敏度、響應時間、結構設計方面上，有著很大的優勢。在實際應用中，由于使用方便、體積小巧、成本低廉、易于普及等優點，已經成為了當今的研究熱點。應用較多的氣敏材料主要是一些η或P型的金屬氧化物，例如:Ti02，Zn0，Sn02，In2O3等。然而，這些熱氣敏材料依然存在不足，比如使用溫度高、導電率低、重復性差，易受環境溫濕度影響、長期穩定性差和氣體選擇性不好等。由于半導體材料在一定波長的光照作用下可發生光響應而產生光生載流子，光照應可有效提高半導體材料的氣敏響應性能，其關鍵在于如何制得制備性能穩定的、具有光響應的半導體氣敏元件。目前，常規的氣敏元件大多以金叉指電極片為基底，一般通過滴覆法、旋轉涂膜法、絲網印刷法或模板法在其表面負載半導體材料。但這些方法需要分兩步實現(先制備出粉體材料、然后再制膜)，導致制備過程較為復雜，而且制得氣敏元件穩定性較差、重復性較低。
【發明內容】
[0003]針對上述現有制備氣敏元件技術的不足，本發明的目的在于提供一種簡單的一步合成法制備二氧化鈦半導體氣敏元件，方法簡單、反應條件溫和、快速易行，制得T12氣敏元件的光助氣敏性能穩定、重復性好，具有較好的應用前景。
[0004]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
先用去離子水、乙醇，超聲洗滌金叉指電極片，然后浸泡在piranha solut1n (體積比:30%雙氧水:98%硫酸=1:1 ~ 1:3) 3小時，取出將電極片表面清洗干凈，以增強表面的親水性，并用去離子水清洗，烘干。將烘干的電極片浸漬在前驅體溶液(體積比:鈦酸異丙酯:乙醇=1:5~ 1:20)中，2min后取出放在平滑的桌面，電極片表面快速水解得到T1J莫。最后，將電極片置于馬弗爐中升溫(升溫速率為1_3°C /min)至300_600°C下煅燒0.5-3小時，制得二氧化鈦薄膜氣敏元件。
[0005]制得的氣敏元件在紫外光照下，室溫就可表現出對H2和丙酮的氣敏響應。
[0006]本發明的效果和優越性在于:
與常規的兩步法制備二氧化鈦薄膜氣敏元件相比，本發明的原位生長法一步合成T12薄膜，方法簡單、反應條件溫和、易于控制，薄膜結構穩定性好，其在紫外光作用下室溫具有良好的氣敏響應穩定性和重復性，從而提高紫外光助氣敏響應，大大提高了光助氣敏測試的重復性。
【附圖說明】
[0007]圖1為T12氣敏元件膜制備流程圖。
[0008]圖2為實施例1所得的T1J莫的XRD譜圖。
[0009]圖3為實施例1所得的T1J莫的SEM圖。
[0010]圖4為實施例1所得的T12氣敏元件和滴覆法制備的T1 2氣敏元件室溫下在氮氣中對H2的紫外光助氣敏響應性能比較。
[0011]圖5為實施例1所得的T12氣敏元件和滴覆法制備的T1 2氣敏元件室溫下在氮氣中對丙酮的紫外光助氣敏響應性能比較。
[0012]圖6為實施例1所得的T12氣敏元件和滴覆法制備的T1 2氣敏元件室溫下在空氣中對H2的紫外光助氣敏響應性能比較。
[0013]圖7為實施例1所得的T12氣敏元件和滴覆法制備的T1 2氣敏元件室溫下在空氣中對丙酮的紫外光助氣敏響應性能比較。
【具體實施方式】
[0014]為使本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細說明如下，但本發明并不限于此。
[0015]實施例1
原位生長法制備二氧化鈦氣敏元件
將金叉指電極片用去離子，乙醇超聲洗滌，烘干后浸泡在piranha溶液中(30%雙氧水:98%4硫酸=3:7，v/v)保持3小時，將電極表面的污物清洗干凈，以增加表面親水性。然后用去離子水洗滌，烘干后備用。同時配制鈦酸異丙酯:乙醇=1:10 (體積比)前驅體溶液。將烘干的電極片浸漬在前驅體溶液中保持2min后。取出放在平滑的桌面，表面將會緩慢水解得到T1J莫。最后將該電極片置于馬弗爐中以1°C /分鐘的升溫速率升溫至500°C，維持2小時。冷卻后制得二氧化鈦氣敏元件。
[0016]從圖2可以看出，按實施例1所合成的T1J莫的晶相為純的銳鈦礦型，與標準銳鈦礦型二氧化鈦的標準卡片匹配結果相近。從圖3掃描電鏡圖可以看出，用實施例1原位生長的1102為完整的實心納米球形，球大小大約為250nm。有少量的球團聚在一起，但并沒有破壞球形結構，而是形成較大的雙實心球。側面圖也可以看出該膜厚度大約為25um，所以球在基底表面并不是單層排列，可能利用球與球之間形成孔來提高其光氣敏響應。
[0017]實施例2
滴覆法制備二氧化鈦氣敏元件
將金叉指電極片在乙醇和去離子水中反復洗滌干凈，烘干備用。稱取30mg粉末材料超聲分散在Iml松油醇中，待超聲混合均勻后，用移液槍取50 yL滴在潔凈的電極片上，待其均勻鋪展開后于100 °C烘lh。然后分別在馬弗爐中以2°C/分鐘的升溫速率350°C煅燒3h，待自然冷卻至室溫后再取出，即得到所需的氣敏元件。
[0018]實施例3
氣敏性能的測試
實施例1所制得的T1J莫的光助氣敏響應測試在JF02E型氣敏測試系統(昆明貴研金峰科技公司)結合自行設計的裝置進行測試。將氣敏元件置于一不銹鋼制10ml容量的密閉氣室(上有一石英窗)中進行測試，由四盞365nm紫外熒光燈(4W，Philips TL/05)提供光源。以高純N2作為背景氣，向氣室內通入不同濃度待測氣體，控制總流量為250ml/min。用電阻變化來表示氣敏元件對于各種氣體的響應，氣敏元件的電阻通過JF02E型氣敏測試系統進行測試(昆明貴研金峰科技公司)，工作電壓為8.5V。氣敏元件裝入氣室后，進行前處理，首先加熱至200°C，在背景氣氛中吹掃一定時間，以除去表面吸附的水及其他氣體，然后降至室溫切換氣體測試。
[0019]按照此方法，分別評價了實施例1制得的制備的氣敏元件(標注為原位生長法)對氫氣和丙酮的光助氣敏性能，并與按實施例2制得的氣敏元件(標注為滴覆法)的光助氣敏性能進行比較，其結果見圖4-圖7。
[0020]圖4、圖5可以看出，該方法制備的氣敏元件對H2，丙酮在氮氣背景下的光助氣敏響應和穩定性都有較大的提高，尤其是在氮氣氣氛中對H2光助氣敏響應的靈敏度提高十分明顯。另外圖6、圖7可以看出，該方法制備的氣敏元件對比和丙酮在空氣背景下的光助氣敏響應和穩定性提高更多，對氫氣氣敏響應可以實現室溫下有較強的靈敏度，目前的氣敏傳感器在室溫下氫氣的氣敏響應不是很強，而實施例1的氣敏元件可以提大大高室溫下對氫氣的光助氣敏響應。另外對丙酮也體現出較好的穩定性，還可以對不同濃度的丙酮呈現梯度響應，這樣有利定量測試氣體含量。這就證明了該簡單易行的方法是有利于制備穩定高效的氣敏元件材料，是可以利于實際氣敏傳感器的制備方面，并對其他的氣敏材料的制備也提供了新的思路與方向。
[0021]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1.一種T1 2薄膜光助氣敏元件的制備方法，其特征在于:將金叉指電極片置于鈦酸異丙酯和乙醇的前驅體溶液中，空氣中水解后焙燒，原位生長得到T12薄膜光助氣敏元件。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的前驅體溶液中鈦酸異丙酯和乙醇的體積比為1:5 ~ I:20o3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述的焙燒溫度為300~600°C。4.一種如權利要求1所述的方法制得的T12薄膜光助氣敏元件。5.一種如權利要求1所述的方法制得的T12薄膜光助氣敏元件的應用，其特征在于:制得的打02薄膜光助氣敏元件能在室溫和紫外光作用下對特定氣體產生氣敏響應。6.根據權利要求5所述的應用，其特征在于:所述的特定氣體為H2或丙酮氣體。
【專利摘要】本發明公開了一種TiO2薄膜光助氣敏元件及其制備方法和應用。將鈦酸異丙酯溶于乙醇中，在金叉指電極片上原位生長得到均勻致密的二氧化鈦薄膜氣敏元件。與常規的滴覆法相比，該方法制得的氣敏元件在紫外光作用下顯示出較佳的H2和丙酮氣體的響應性能，并表現出良好的穩定性和重復性。該方法簡單易行，在制備半導體光助氣敏傳感器方面具有較好的應用前景。
【IPC分類】G01N27/12
【公開號】CN105136868
【申請號】CN201510493459
【發明人】戴文新, 彭小英, 陳旬, 員汝勝, 付賢智
【申請人】福州大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月13日