CN105136863B

CN105136863B - 基于CdIn2O4纳米薄膜的气体传感器及制备方法

Info

Publication number: CN105136863B
Application number: CN201510575958.8A
Authority: CN
Inventors: 王毓德; 董成军; 王莉红
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: CN105136863A

Abstract

本发明涉及一种基于CdIn₂O₄纳米薄膜的气体传感器及制备方法，属于无机多孔材料与气体传感技术领域。本发明的气体传感器以CdIn₂O₄纳米多孔薄膜作为传感器的传感层，采用自扩散溶剂挥发自组装方法在溅射有金叉指电极的抛光硅基片表面制备CdIn₂O₄纳米多孔薄膜，所用前驱物为嵌段共聚物、醋酸镉、乙酰丙酮铟、无水乙醇，再将硅片制品置于马弗炉中进行热处理，所获得的薄膜孔径为20～30nm的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜。使用本发明所获得的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器检测甲醛气体，具有对甲醛气体灵敏度高、工作温度低、体积小、功耗低等优点，有较好的实际应用价值。

Description

基于CdIn2O4纳米薄膜的气体传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于CdIn₂O₄纳米薄膜的气体传感器及制备方法，属于无机多孔材料与气体传感技术领域。CdIn₂O₄纳米多孔薄膜作为敏感材料检测甲醛气体，具有灵敏度高、工作温度低、体积小、功耗低等优点。

背景技术

室内空气中甲醛已经成为影响人类身体健康的主要污染物。甲醛浓度过高会引起急性中毒，表现为咽喉烧灼痛、呼吸困难、肺水肿、过敏性紫癜、过敏性皮炎、肝转氨酶升高、黄疸等。长期、低浓度接触甲醛会引起头痛、头晕、乏力、感觉障碍、免疫力降低，并可出现瞌睡、记忆力减退或神经衰弱、精神抑郁；慢性中毒对呼吸***的危害也是巨大的，长期接触甲醛可引发呼吸功能障碍和肝中毒性病变，表现为肝细胞损伤、肝辐射能异常等。为了减少和控制污染，塑造舒适的生活环境，则要求对甲醛气体进行检测控制，甚至消除，这就必然要求性能好的甲醛传感器。所以，研制一种高灵敏度的甲醛气体传感器具有很高的实际意义。基于金属氧化物半导体的气敏器件由于具有价格低廉、气敏性好、易于组装、体积小等优点而被广泛应用。尖晶石型复合氧化物CdIn₂O₄是一种高简并n型半导体材料，对一些气体，尤其是易燃易爆、有毒有害气体，如乙醇、NO、NO₂、Cl₂很敏感。CdIn₂O₄对甲醛也有一定的敏感性，通过改进制备工艺和传感器工作条件可获得更高的气敏性能。但CdIn₂O₄材料对甲醛气体的灵敏度还有待进一步提高，以满足实际应用的要求。为了进一步提升其气体传感性能，CdIn₂O₄气敏材料的纳米多孔结构的设计成为发展的重要方向。纳米多孔结构具有表面积大，且可修饰的内表面（改性、掺杂），有利于反应物的扩散，从而能有效提高其气敏性能并减少响应时间，同时又避免了这些纳米材料在应用过程中易团聚的弊端。目前应用的CdIn₂O₄气体传感器由于不具备纳米多孔结构的大比表面积和多的活性位点特征，很难获得对甲醛高气敏性，因此需要进一步改进材料的形貌结构从而提升其气敏性能。

发明内容

因此，本发明是提供一种以纳米多孔CdIn₂O₄薄膜为气敏材料的气体传感器及制备方法。采用简单的一次成膜工艺制备CdIn₂O₄纳米多孔薄膜作为气体传感器传感层，利用CdIn₂O₄纳米多孔薄膜独特的形貌特性和功能特性，将其作为甲醛气体敏感材料，获得灵敏度高的甲醛气体传感器。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种基于CdIn₂O₄纳米多孔薄膜的气体传感器及制备方法，具有以下步骤：

（1）CdIn₂O₄溶胶的制备：前驱物为聚异丁烯-b-聚环氧乙烷嵌段共聚物、醋酸镉、乙酰丙酮铟、无水乙醇，将嵌段共聚物加入无水乙醇溶液中（按质量比1～2:25配制溶胶），超声震荡30 min，得到透明溶液A，将醋酸镉、乙酰丙酮铟分别溶解到无水乙醇中（质量比分别为1:4和1:8），得到溶液B和C，在搅拌中将溶液B缓慢滴加到C中，搅拌30 min，得到溶液D，在搅拌中将溶液D缓慢滴加到A中，搅拌30 min，得到溶液CdIn₂O₄溶胶；

（2）所得CdIn₂O₄溶胶在室温下磁力搅拌（500r/min）24h，然后在室温下陈化24h；

（3）将步骤（2）所得溶胶滴到溅射有金叉指电极的硅基片抛光表面，每次溶胶用量为1～2滴，待溶胶自然扩散到整个硅片表面1h后将硅片制品在高温下烘干，再置于马弗炉中进行热处理，在硅基片表面制得CdIn₂O₄纳米多孔薄膜，即得CdIn₂O₄纳米多孔薄膜气体传感器元件，其孔径约为20~30nm。

附图说明：

图1为实施例一所制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜的X射线衍射图，表明纯CdIn₂O₄的特征衍射峰峰位与标准卡片（JCPDS 70-1680）完全一致，无杂质峰出现，且峰型尖锐，表明晶体结晶度很好；

图2为实施例一所制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜的扫描电子显微镜照片图，照片表明其形貌为纳米多孔结构，孔径约为20nm；

图3为实施例一所制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器对甲醛的灵敏度，CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器对具有较高的灵敏度；

图4为实施例二所制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜的扫描电子显微镜照片图，照片表明其形貌为纳米多孔结构，孔径约为20nm。

具体实施方式：

本发明所用原料均采用市售分析纯试剂，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

（1）CdIn₂O₄溶胶的制备：前驱物为聚异丁烯-b-聚环氧乙烷嵌段共聚物、醋酸镉、乙酰丙酮铟、无水乙醇，将嵌段共聚物加入无水乙醇溶液中（按质量比1:25配制溶胶），超声震荡30 min，得到透明溶液A，将醋酸镉、乙酰丙酮铟分别溶解到无水乙醇中（质量比分别为1:4和1:8），得到溶液B和C，在搅拌中将溶液B缓慢滴加到C中，搅拌30 min，得到溶液D，在搅拌中将溶液D缓慢滴加到A中，得到溶液CdIn₂O₄溶胶；

（2）所得CdIn₂O₄溶胶在室温下磁力搅拌（500r/min）24h，然后在室温下陈化48h；

（3）保持空气相对湿度为30%，将步骤（2）所得溶胶滴到溅射有金叉指电极的硅基片抛光表面，每次溶胶用量为1滴，待溶胶自然扩散到整个硅片表面1h后将硅片制品在80^oC下24h烘干处理；

（4）将步骤（3）烘干处理后的样品硅片在马弗炉中热处理时，升温速率为1^oC/min，热处理温度为650^oC，热处理时间为2h；

（5）将步骤（4）制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器测试其对甲醛气体的敏感特性，在工作温度为100^oC时， 100ppm甲醛气体浓度的灵敏度为16.0，响应、恢复时间分别为1min、5min。

实施例二：

（1）CdIn₂O₄溶胶的制备：前驱物为聚异丁烯-b-聚环氧乙烷嵌段共聚物、醋酸镉、乙酰丙酮铟、无水乙醇，将嵌段共聚物加入无水乙醇溶液中（按质量比1.5:25配制溶胶），超声震荡30 min，得到透明溶液A，将醋酸镉、乙酰丙酮铟分别溶解到无水乙醇中（质量比分别为1:4和1:8），得到溶液B和C，在搅拌中将溶液B缓慢滴加到C中，搅拌30 min，得到溶液D，在搅拌中将溶液D缓慢滴加到A中，得到溶液CdIn₂O₄溶胶；

（3）保持空气相对湿度为20%，将步骤（2）所得溶胶滴到溅射有金叉指电极的硅基片抛光表面，每次溶胶用量为1滴，待溶胶自然扩散到整个硅片表面1h后将硅片制品在85^oC下20h烘干处理；

（4）将步骤（3）烘干处理后的样品硅片在马弗炉中热处理时，升温速率为1^oC/min，热处理温度为700^oC，热处理时间为1.5h；

（5）将步骤（4）制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器测试其对甲醛气体的敏感特性，在工作温度为100^oC时， 100ppm气体浓度的灵敏度为14.8，响应、恢复时间分别为1min、5.5min。

实施例三：

（1）CdIn₂O₄溶胶的制备：前驱物为聚异丁烯-b-聚环氧乙烷嵌段共聚物、醋酸镉、乙酰丙酮铟、无水乙醇，将嵌段共聚物加入无水乙醇溶液中（按质量比2:25配制溶胶），超声震荡30 min，得到透明溶液A，将醋酸镉、乙酰丙酮铟分别溶解到无水乙醇中（质量比分别为1:4和1:8），得到溶液B和C，在搅拌中将溶液B缓慢滴加到C中，搅拌30 min，得到溶液D，在搅拌中将溶液D缓慢滴加到A中，得到溶液CdIn₂O₄溶胶；

（3）保持空气相对湿度为15%，将步骤（2）所得溶胶滴到溅射有金叉指电极的硅基片抛光表面，每次溶胶用量为1滴，待溶胶自然扩散到整个硅片表面1h后将硅片制品在90^oC下12h烘干处理；

（4）将步骤（3）烘干处理后的样品硅片在马弗炉中热处理时，升温速率为1^oC/min，热处理温度为750^oC，热处理时间为1h；

（5）将步骤（4）制备的CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器测试其对甲醛气体的敏感特性，在工作温度为100^oC时， 100ppm气体浓度的灵敏度为15.4，响应、恢复时间分别为1min、5min。

本发明采用静态配气法测量CdIn₂O₄纳米多孔薄膜传感器元件对甲醛气体的敏感特性，定义气敏元件的灵敏度β=R _a/R _g，其中R _a和R _g分别为传感器元件在干燥空气和甲醛气体中的电阻值。

Claims

1.基于CdIn₂O₄纳米薄膜的气体传感器，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：

(1)CdIn₂O₄溶胶的制备：前驱物为聚异丁烯-b-聚环氧乙烷嵌段共聚物、醋酸镉、乙酰丙酮铟、无水乙醇，将嵌段共聚物加入无水乙醇溶液中，按质量比1～2:25配制溶胶，超声震荡30min，得到透明溶液A，将醋酸镉、乙酰丙酮铟分别溶解到无水乙醇中，质量比分别为1:4和1:8，得到溶液B和C，在搅拌中将溶液B缓慢滴加到C中，搅拌30min，得到溶液D，在搅拌中将溶液D缓慢滴加到A中，得到溶液CdIn₂O₄溶胶；

(2)所得CdIn₂O₄溶胶在室温下磁力搅拌24h，搅拌速率为500r/min，然后在室温下陈化48h；

(3)将步骤(2)所得溶胶滴到溅射有金叉指电极的硅基片抛光表面，每次溶胶用量为1～2滴，待溶胶自然扩散到整个硅片表面1h后将硅片制品在高温下烘干，再置于马弗炉中进行热处理，在硅基片表面制得CdIn₂O₄纳米多孔薄膜，即得CdIn₂O₄纳米多孔薄膜气体传感器元件。

2.根据权利要求1的基于CdIn₂O₄纳米薄膜的气体传感器，其特征在于，所述步骤(3)中制备CdIn₂O₄纳米多孔薄膜时空气相对湿度为15～30％。

3.根据权利要求1的基于CdIn₂O₄纳米薄膜的气体传感器，其特征在于，所述步骤(3)中硅片制品的烘干温度为80～90℃，时间为12～24h。

4.根据权利要求1的基于CdIn₂O₄纳米薄膜的气体传感器，其特征在于，所述步骤(3)中样品硅片在马弗炉中热处理时，升温速率为1℃/min，热处理温度为650～750℃，热处理时间为1～2h。