[发明专利]一种基于非水解溶胶-凝胶WO3

说明书

本发明属于半导体金属氧化物气敏元件技术领域，具体涉及一种基于非水解溶胶‑凝胶WO₃多孔薄膜的NO₂气敏元件及其制备方法。所述气敏元件主要由电极元件和均匀涂覆在电极元件上的WO₃多孔薄膜气敏层组成，所述WO₃多孔薄膜由WO₃纳米凝胶颗粒旋涂而成，所述WO₃纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO₃为单斜晶体结构。本发明方法操作简单、反应易于控制、合成周期短，有效解决了传统制备方法成本高、合成周期长等缺点。通过该方法制备的气体气敏元件在工作温度100℃时获得对NO₂气体的最大灵敏度，响应和恢复时间短、选择性高，是具有良好发展前景的NO₂气敏元件。

技术领域

本发明属于半导体金属氧化物气敏元件技术领域，具体涉及一种基于非水解溶胶-凝胶WO₃多孔薄膜的NO₂气敏元件及其制备方法。

背景技术

矿产资源是人类文明进步和社会经济发展的物质基础。随着科学技术的快速发展以及各类工业化生产的扩张，人类对矿产资源的开采利用达到了前所未有的程度。矿山生产在爆破过程中将产生大量的CO、粉尘以及氮氧化物。其中，NO₂是一种具有刺激性气味和腐蚀性特点的红棕色气体，如果以较高的浓度富集于巷道空气中，容易引发中毒事件，对工人的生命安全造成极大的威胁。因此，开发高性能的气敏元件以实现对NO₂的有效和实时监测势在必行，不仅可以有效地避免潜在安全事故的发生，同时还为后续的有害气体处理提供了可靠的前期监测保障。

气敏元件是一种将气体的种类、浓度和成分等特征转化成对应电信号的转换器，通常可分化学气敏元件和物理气敏元件两类。其中，根据工作原理及气敏机制的不同，化学气敏元件可分为：半导体式气敏元件、固体电解质式气敏元件、电化学式气敏元件、接触燃烧式气敏元件、光学式气敏元件、热导式气敏元件等。半导体式气敏元件由于具有响应速度快、灵敏度高、体积小等一系列显著优点，而成为目前应用最为广泛的气敏元件之一。

WO₃作为一种n型半导体过渡金属氧化物，是一种优良的多功能半导体气敏材料，而基于WO₃多孔薄膜的气敏元件对NO₂气体具有良好的气敏特性。在WO₃薄膜的制备过程中，不同的制备方法和制备条件对其光学性能和气敏特性会产生很大的影响。目前制备WO₃多孔薄膜的方法主要有溶胶-凝胶法、溅射镀膜法、化学气相沉积法以及电沉积法等，制备方法较为局限，普遍存在孔隙率低、制备成本高、合成周期长等缺点。非水解溶胶-凝胶法是一种新型的溶胶-凝胶工艺，其无需经过金属醇盐水解过程，在根本上解决了醇盐水解难以控制的问题，大大简化了薄膜制备工艺，已被广泛应用于多种氧化物材料的制备，也避免了六氯化钨易同氧或水分发生剧烈反应，而导致危险。

发明内容

针对目前WO₃多孔薄膜在制备质量、成本及效率等方面存在的问题，本发明提供一种基于非水解溶胶-凝胶WO₃多孔薄膜的NO₂气敏元件及其制备方法，目的是通过非水解溶胶-凝胶法制备出形貌均一、孔隙率高、比表面积大的多孔薄膜，以克服WO₃多孔薄膜制备方法比较局限、孔隙率低、制备成本高等不足，并制备成性能优异的NO₂气敏元件。

一种基于非水解溶胶-凝胶WO₃多孔薄膜的NO₂气敏元件，所述气敏元件主要由电极元件和均匀涂覆在电极元件上的WO₃多孔薄膜气敏层组成，所述WO₃多孔薄膜由WO₃纳米凝胶颗粒旋涂而成，所述WO₃纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO₃为单斜晶体结构。

优选地，所述WO₃纳米凝胶颗粒按照下述方法制得：