[发明专利]一种基于ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料的乙醇气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料的乙醇气体传感器及其制备方法，属于氧化物半导体气体传感器技术领域。本发明首先以二水合醋酸锌、甘氨酸、十水合硫酸钠、氢氧化钠作为出发原料，水和乙醇的混合溶液作为溶剂，利用水热法成功制备了ZnO空心花球前驱体，然后在空气中煅烧得到了ZnO空心花球粉末；再以ZnO空心花球粉末、四水合硝酸镉、硫脲作为出发原料，二甲基甲酰胺(DMF)和异丙醇的混合溶液作为溶剂，利用水热法在ZnO空心花球上复合CdO纳米颗粒，然后在空气中煅烧得到ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料。本发明克服了两种材料气敏特性较差的缺点，实现对乙醇气体检测灵敏度的提高以及检测下限的降低。

技术领域

本发明属于氧化物半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种基于ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料的乙醇气体传感器及其制备方法。

背景技术

我们正处在人工智能及物联网崛起的信息时代，在对信息的获取-传输-处理的链条中，传感器作为获取信息的前端器件相当于人类复杂的感官系统，在信息技术链条中发挥至关重要的作用。气体传感器作为传感器家族中重要的成员，在安全、环境、医疗等领域发挥着举足轻重的作用。气体传感器种类繁多，分类方法也多种多样。基于氧化物半导体的气体传感器具有灵敏度高、选择性可调、可靠性高、全固态、成本低等突出优点，是目前气体传感领域研究的主流，其商业产量也最大。虽然我们在氧化物半导体气体传感器的研究上已经获得了很大的进步，但是为了进一步扩大其应用领域，还需要进一步提高气体传感器的气敏特性。

迄今为止，关于氧化物半导体的研究均是围绕如何提高其灵敏度、选择性、检测精度和可靠性而展开的，具体包括新型气体敏感材料的发现、敏感材料的改性(掺杂、表面修饰、材料复合等)和传感机理的深入研究等。其中，日本九州大学N.Yamazoe研究组在21世纪初从气敏材料的选择性、转变效率和使用率三个方面开展了比较深入系统的研究。基于以上三个方面，人们发现通过构筑异质结结构半导体氧化物复合材料能够显著地改善传感器的灵敏度。这主要是因为异质结结构提高了传感材料的载流子迁移率，从而提升了其“转换功能”，其次，在纳米尺度下，不同氧化物半导体传感材料的复合和组装可以形成局部的P-N接触、N-N接触、和不同组分间的协同效应，改善了传感材料的“识别功能”。基于这点，开展异质结构氧化物半导体的设计和制备，对于扩大气体传感器的应用具有十分重要的科学意义。

异质结结构纳米传感材料性质平稳，受环境影响小，改善了传感器的稳定性。ZnO作为一种常见的N型氧化物半导体气敏材料，目前已被广泛应用于多种有毒有害气体的检测，但是由于其选择性较差、工作温度较高，因此，还需通过在ZnO和其它氧化物半导体之间构建异质结结构，来进一步改善纯ZnO纳米结构的气体感测特性。CdO作为作为一种重要的II–VI族窄禁带N型半导体氧化物，因为在其晶格中存在天然的缺陷氧空位，所以具有高载流子迁移率和高导电性。因此基于ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料在灵敏度、选择性、工作温度、响应恢复速度等多个方面均要好于ZnO空心花球。气敏特性的显著改善可归咎于如下几个方面：化学吸附氧数量的增加、N-N异质结结构的构筑以及空心花球结构利于气体分子扩散。这在一定程度上，证明了复合氧化物半导体有望能够成为一种新的非常具有应用前景的气敏材料

发明内容

本发明旨在通过构筑基于ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合的纳米结构来改变复合材料形貌、提高载流子浓度及形成势垒等，从而来克服两种材料气敏特性较差的缺点，实现对乙醇气体检测的灵敏度提高以及检测下限的降低。

本发明首先以二水合醋酸锌、甘氨酸、十水合硫酸钠、氢氧化钠作为出发原料，水和乙醇的混合溶液作为溶剂，利用水热法成功制备了ZnO空心花球前驱体，然后在空气中煅烧得到了ZnO空心花球粉末；再以ZnO空心花球粉末、四水合硝酸镉、硫脲作为出发原料，二甲基甲酰胺(DMF)和异丙醇的混合溶液作为溶剂，利用水热法在ZnO空心花球上复合CdO纳米颗粒，然后在空气中煅烧得到ZnO空心花球与CdO纳米颗粒复合纳米材料。