[发明专利]一种基于钙钛矿结构ZnSnO3

说明书

本发明公开了一种基于钙钛矿结构ZnSnO₃纳米球的异丙醇气敏元件及其制备方法，属于半导体金属氧化物气敏元件技术领域。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ZnSnO₃纳米球组成，所述ZnSnO₃纳米球直径为500±50nm，所述ZnSnO₃纳米球为钙钛矿结构，所述气敏元件的异丙醇浓度检测范围为500ppb～500ppm。本发明操作流程简单、反应条件温和、易于控制、可批量生产。基于钙钛矿结构ZnSnO₃纳米球的ppb级异丙醇气敏元件具有ppb级检测、响应恢复迅速、可逆性好、高选择性，在200℃工作温度条件下时获得对异丙醇气体的最大灵敏度，是具有良好发展前景的异丙醇气敏元件。

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，具体涉及一种基于钙钛矿结构ZnSnO₃纳米球的异丙醇气敏元件及其制备方法。

背景技术

异丙醇是一种重要的化工原料，常用于防腐剂、化妆品、清洁剂以及制药业等各个工业生产领域。然而，异丙醇也是一种极易挥发的易燃性有机溶剂，当其暴露于热源或者火焰氛围中，有引起爆炸的危险。此外，异丙醇还是一种具有微毒的挥发性有机化合物(volatile organic compound， VOC)，当空气中异丙醇气体浓度较低时，会损伤人体上呼吸道、视网膜及视神经；当异丙醇浓度过高时，会让人产生头痛、恶心等症状，严重情况则会使人休克昏厥甚至死亡。中国在1996年颁布的车间空气中异丙醇卫生标准规定：车间空气异丙醇浓度不能超过750mg/m³，即280ppm。一些发达国家规定异丙醇在工作场地的阈限值为75-150ppm。因此，研发具有高灵敏度、低检测浓度、低工作温度、高选择性的气体传感器，以实现对异丙醇实时、快速、有效的检测极为重要。

基于半导体金属氧化物的气体传感器因其高灵敏度、快速响应、高选择性等特点已被广泛研究。目前半导体金属氧化物气体传感器的研究多以二元金属氧化物为主，近年来贵金属掺杂或两种材料组成异质结气体传感器成为了研究热点。基于单一晶体结构的三元半导体金属氧化物因为其特殊的晶格结构、优异的稳定性，同时在材料晶格不改变的情况下能够容忍大量离子替换，可以进行多种元素掺杂等调控方式来改变载流子浓度、能带宽度等性质的优点，使其逐渐成为该研究领域的热点研究方向。

基于钙钛矿(ABO₃)晶体结构的三元半导体金属氧化物ZnSnO₃是一种n型半导体材料，虽然其具有良好的气敏特性，但是目前仍存在工作温度高、灵敏度低、响应恢复时间长等不足。因此，研发低检测浓度、低工作温度、尺寸小、比表面积大且具有优异气敏特性的ZnSnO₃气敏材料仍是一大难点。

发明内容

针对目前半导体金属氧化物气体传感器制作工艺复杂以及工作温度高、灵敏度低等方面的不足，本发明提供了一种基于钙钛矿结构ZnSnO₃纳米球的ppb级异丙醇气敏元件的制备方法，目的是通过共沉淀方法优化制备出结晶程度高、形貌均一、分散性好、比表面积大的ZnSnO₃纳米球，并利用这些ZnSnO₃纳米球制备出具有高灵敏度、低工作温度、低检测浓度、快速响应/恢复速率、良好稳定性等优点的气体传感器。本发明所制备的ZnSnO₃纳米球具有工艺流程简单、尺寸小、产量高等优点，可以满足市场大规模生产的要求。

本发明提供了一种基于钙钛矿结构ZnSnO₃纳米球的异丙醇气敏元件，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ZnSnO₃纳米球组成，所述ZnSnO₃纳米球直径为500±50nm，所述ZnSnO₃纳米球为钙钛矿结构，所述气敏元件的异丙醇浓度检测范围为500ppb～500ppm。

进一步地，上述技术方案中，所述电极元件为陶瓷管电极。