[发明专利]一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器

说明书

一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，属于氢气传感器技术领域。所述氢气传感器包括自上而下依次设置的上电极层、半导体薄膜层、敏感层、氢敏金属薄膜层和下电极层，所述敏感层为位于半导体薄膜层和氢敏金属薄膜层之间的柱状阵列结构，每个阵列单元包括与半导体薄膜层接触的半导体纳米柱、与氢敏金属薄膜接触的氢敏金属纳米柱、以及包覆于半导体纳米柱和氢敏金属纳米柱侧面的石墨烯网状结构。本发明氢气传感器具有对氢气选择性好、灵敏度高、响应速度快、精度高等优点。

技术领域

本发明属于氢气传感器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器。

背景技术

现如今，由于化石燃料的有限性及其引发的温室效应和环境污染，使得清洁新能源成为全球开发和利用的研究热点。氢能源以其燃烧效率高、产物无污染等优点成为最具发展前景的新型清洁能源之一；同时，氢气作为一种基本的化工原料，在航天工业、石油化工、冶金工业等领域中有着广泛的应用。然而，氢气在实际应用中存在较大的安全隐患：由于氢气具有分子直径很小、无色无味等特点，在氢的生产、储存、运输及使用等各个环节极容易发生泄漏，不易被察觉，且在空气中含量大于4％时极易发生爆炸，存在巨大的安全隐患。因此，研究与开发一种能检测氢气存在并量化浓度的氢气传感器具有重要的实用价值。

特别地，氢元素的探测在太空领域中也有着极其重要的作用与意义。在太阳系元素分布中氢和氦是最丰富的元素，约占原子总数的99％。因此可以说宇宙基本上是由H元素所构成，通过对太空氢元素的探测，对揭示宇宙形成与演化，探索生命的起源、空间环境对人类生存环境的影响，以及对天文学、宇宙学、物质科学、生命科学和思想科学的发展有巨大的推动作用。除此之外，氢元素对地震的预警，太空中逃逸氢元素对水资源变化的揭示都至关重要。因此，研发用于检测极端环境中氢气浓度和氢气泄漏的高灵敏度的氢气传感器，已成为科研工作人员日益关注的重点问题。

目前，氢气传感器主要分为电学型、光学型和半导体型。其中，光学型氢气传感器具有精度高、重复性好、测量误差小等优点，但其不足之处是测试系统复杂、不易操作控制并且寿命较短、成本高，不适用于实际日常需要；电学型氢气传感器主要是以钯或者钯合金薄膜材料为主的电阻型氢气传感器，具有结构简单、尺寸小、易于集成等优点，但检测下限高，一般为200ppm，测试精度差，不能满足特定场合中对低浓度氢气进行实时监测的需求。半导体型氢气传感器的基本工作原理是：当氢气传感器与氢气接触时，氢气被吸附在催化金属表面，在金属的催化作用下分解为H，H从金属表面经晶格间隙扩散到金属/半导体界面，传感器加一定的偏置电压后，H被极化形成偶极层，由于氢的存在，界面电荷增加，势垒降低，二极管特性曲线发生漂移，其原理如图1所示。

与电学型氢气传感器相比，半导体型氢气传感器灵敏度较高、氢气可探测浓度低，可低至ppb级别。然而，半导体型氢气传感器多以氧化锡、氧化锌、氧化钛等金属氧化物材料为主，这些金属氧化物对H₂、H₂S、CO等还原性气体均会产生响应，并且需要在有氧环境中运行，因此对氢气的选择性差，测量误差较大。因此，要实现应用中对极低浓度氢气的准确探测，及时消除安全隐患，开发具有对氢气选择性好、灵敏度高、响应速度快、测氢能力下限低等特性的氢气传感器是解决问题的关键所在。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器及其制备方法，该氢气传感器具有对氢气选择性好、灵敏度高、响应速度快、精度高等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于石墨烯网状结构的半导体型氢气传感器，其特征在于，所述氢气传感器包括自上而下依次设置的上电极层1、半导体薄膜层2、敏感层、氢敏金属薄膜层6和下电极层7，所述敏感层为位于半导体薄膜层和氢敏金属薄膜层之间的柱状阵列结构，每个阵列单元包括与半导体薄膜层接触的半导体纳米柱3、与氢敏金属薄膜接触的氢敏金属纳米柱5、以及包覆于半导体纳米柱和氢敏金属纳米柱侧面的石墨烯网状结构4。