[发明专利]一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气敏材料与元件技术领域，更具体地，涉及一种以胶态量子点薄膜为气敏材料的半导体电阻式气体传感器及其制备方法。

背景技术

传统的半导体电阻式气体传感器常采用金属氧化物（如SnO₂、ZnO、TiO₂等）为气敏材料，具有测量方式简单、灵敏度高、响应快、操作方便、便携性好、成本低等特点，但该类气体传感器在实际应用中必须加热到较高的工作温度（200～600℃），功耗较大，降低了传感器的便携性，而且还增加了安全隐患，使其应用受到很大限制。近年来，利用纳米材料的特殊活性实现室温气体传感器正成为研究的热点与重点，在将传统气敏材料做成纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带等特殊结构的同时也涌现出了石墨烯、碳纳米管、硅纳米线等新型室温气敏材料。

此外，鉴于柔性器件的诱人应用前景，已有研究者利用石墨烯、碳纳米管所具有的大比表面积和低温成膜工艺特点，在PET、PI甚至纸衬底上成功制备出室温柔性气体传感器。例如，2009年美国麻省大学洛威尔分校报道将氧化石墨烯喷墨打印在PET衬底上成功实现室温下对NO₂的检测，不足的是需要在254nm紫外光的照射下方可恢复，极大地降低了传感器的便携性能；2012年该该课题组又报道将碳纳米管在纸上喷墨打印成膜，室温下对100ppm的NO₂和Cl₂的灵敏度分别为2.4和2.7，然而其过长的响应和恢复时间（3-5分钟，7-12分钟）仍不利于实际监测。

胶态量子点采用胶体化学法制备，是一种用有机配体分子包裹正在生长的量子点的表面以控制粒子团聚的湿化学方法。与普通纳米材料相比，具有尺寸可控且均匀性好、活性高、物化特性可控、易于表面修饰、室温成膜与柔性衬底兼容性好等特点，是制备室温柔性气体传感器的新型理想材料。胶态量子点气体传感器的研究最早可追溯到2001年，研究者将市售的Sb掺杂SnO₂胶态颗粒悬浮液以旋涂的方式在SiO₂衬底上成膜，制作出电阻式甲醇气体传感器，工作温度低至150℃。然而，该器件仍需要在高温（500℃）热处理，导致真实器件中的颗粒尺寸高达数十纳米，不利于充分发挥胶态量子点气敏材料的特点。之后，胶态量子点气体传感器研究中主要采用胶态量子点与有机聚合物的混合物为气敏材料，使之能够在室温下成膜，因此胶态量子点的颗粒尺寸得到了较好的保持。但是，由于分散在电导率低的有机聚合物分子网络中，胶态量子点对气体的吸附活性及其之间的电子传输受到限制，导致该类传感器在室温下的气敏性能并不理想，因此工作温度然较高。此外，除了电阻式气体传感器，利用胶态量子点光致发光（PL）变化的室温气体传感器也受到研究者的关注，但后者在便携性方面无法与电阻式气体传感器相媲美。

2008年，清华大学Wang课题组以SnCl₄·5H₂O为原料在180℃下合成了油酸-油胺包裹的胶态SnO₂量子点，颗粒尺寸约0.5-2.5nm，将其分散在氯仿溶液中，并以滴涂的方式沉积在预制有金电极的陶瓷管芯上，利用N₂-H₂O载气流在室温下对其进行干燥而制作成电阻式气体传感器，300℃下对100ppm乙醇蒸汽的灵敏度约1.6，响应及恢复时间均小于20秒。显然，该传感器的工作温度偏高，灵敏度偏低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法，该气体传感器可在常温下检测气体浓度的瞬间或微量变化，响应恢复速度快且灵敏度高，可以采用刚性或柔性衬底，制作工艺简单，成本低，安全便携，具有良好的应用前景。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将半导体胶态量子点溶液涂覆在印有电极的绝缘衬底上，使其均匀成膜；（2）用短链配体溶液处理量子点薄膜；（3）去除残余的短链配体及其副产物；（4）多次重复执行步骤（1）至步骤（3），得到具有所需厚度的半导体胶态量子点薄膜，完成气体传感器的制备。

按照本发明的另一方面，提供了一种气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将半导体胶态量子点溶液涂覆在绝缘衬底上，使其均匀成膜；（2）用短链配体溶液处理量子点薄膜；（3）去除残余的短链配体及其副产物；（4）多次重复执行步骤（1）至步骤（3），得到具有所需厚度的半导体胶态量子点薄膜；（5）在步骤（4）得到的半导体胶态量子点薄膜上制备电极，完成气体传感器的制备。