[发明专利]一种基于氧化钨/氧化锡核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用

说明书

本发明公开了一种基于氧化钨/氧化锡核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本发明采用一种较为简便的、可大批量合成的溶剂热法制备氧化钨核层纳米片，结合原子层沉积技术合成氧化锡层，得到了氧化钨/氧化锡核壳结构纳米片。与现有制备工艺相比，本发明具有可重复性强，成品率高，制备效率高，可大规模化生产等优点。本发明构建的基于n‑n异质结的核壳结构材料结合微机电系统，作为气体传感器时灵敏度大幅提升，响应时间和恢复时间大幅缩减，并且可在复杂环境中对氨气（NH₃）气体具有优异的选择性，可为气体监测领域开发高灵敏度、高稳定性的气体传感器提供坚实的技术支持。

技术领域

本发明涉及半导体纳片材料制备技术领域，具体的说，涉及一种基于氧化钨/氧化锡核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。

背景技术

为了满足互联网自动化和智能物联网（IoT）器件日益发展的需求，制造高效、稳定、低成本、低功耗的气体传感器是一个重要且值得研究的方向。基于微机电系统（MEMS）技术的化学电阻式气体传感器在监测气体泄漏、空气质量、食品安全和医学诊断等各个方面具有低功耗、微型化和集成化等诸多优点，引起了人们极大的研究兴趣。一般而言， MEMS式气体传感器的敏感材料多为金属氧化物半导体，如氧化锌（ZnO）、氧化钨（WO₃）、氧化铁（Fe₂O₃）和氧化锡（SnO₂）等。其中，不同结构的WO₃纳米材料，包括纳米棒、介孔和纳米片等，由于其具有化学稳定性好、响应度高、成本低廉、对环境友好等优势，已经被广泛应用于气体传感器中。尤其是WO₃纳米片和纳米线由于合成工艺简单且比表面积大，在硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）和二氧化氮（NO₂）的气体传感中表现出了优良的性能。除了对WO₃纳米材料进行形貌调控外，还有大量研究立足于通过掺杂和构建与其它金属氧化物半导体的复合结构等方式来提高气体传感响应率和选择性。这种WO₃基多组分材料气敏性能的增强主要是因为在异质结界面形成了耗尽层，促进了电子交换。

通过构建不同的核壳纳米结构以提高气敏传感能力的方法受到了广泛的关注和研究，其优势在于将核层和壳层的材料特性相结合，并在核层和壳层间构建了双耗尽层。文献报道的应用于气体传感器的核壳纳米材料有ZnO@SnO₂，Fe₂O₃@NiO和CuO@ZnO等。此外，拥有n型半导体特性的SnO₂是传统气敏材料之一，由于其具有环境友好、成本低、资源丰富、生物相容性和热稳定性好等特性而备受关注。例如，通过两步水热法结合后续退火处理合成的海胆状SnO₂/α-Fe₂O₃异质复合纳米结构对二甲基二硫醚展现了极高的响应特性。由于拥有上述特性，SnO₂作为壳层在气体传感领域受到了极大的关注。考虑到纳米核壳材料的气敏性能强烈依赖于壳层的厚度，因此一种合理的能够精确控制厚度的合成方法将成为提高气体传感器性能的关键因素。目前已经有很多薄膜镀制方法被应用于SnO₂壳层薄膜的制备，包括水热法、浸泡法、旋涂法和原子层沉积（ALD）法。在这些方法中，ALD技术是一种高效可靠的制备厚度精确可控的壳层薄膜的技术，即使在低温条件下，仍能在高深宽比结构上覆盖极其均匀且保形性好的薄层。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于氧化钨/氧化锡核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本发明采用先进的原子层沉积技术，在原子层级精确控制薄膜的厚度并且拥有优异的保形覆盖能力，具有可重复性强，成品率高，制备效率高等优点，为规模化制备核壳结构WO₃/SnO₂纳米片提供了一种全新的思路。并结合微机电系统得到了功耗极低的气体传感器器件。本发明制备得到的氧化钨/氧化锡核壳纳米片基于微机电系统得到的气体传感器器件可实现对环境中氨气浓度进行准确监测。