[发明专利]一种半导体异质结气敏材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种半导体异质结气敏材料及其制备方法和应用。该气敏材料为直径1.6‑2.5μm的片层状微球，比表面积为20.9m²g^‑1‑23.9m²g^‑1，微球为由氧化锌和氧化镍组成的复合材料，氧化锌和氧化镍的复合材料为六方晶型。氧化镍的摩尔百分比为0.1‑1％。复合材料在100‑160℃范围内，响应速度较快，响应值较高，具有较好的选择性。

技术领域

本发明属于半导体气敏材料制备技术领域，具体涉及一种半导体异质结气敏材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着工业的快速发展，城市工业和化石能源燃烧产生的有毒和可燃性气体的排放也相应增加。排出的气体包括二氧化氮(NO₂)，一氧化碳(CO)，二氧化硫(SO₂)和硫化氢(H₂S)，其中二氧化硫，是最常见的大气污染物之一，形成酸雨，污染环境，破坏人体呼吸系统。当人们暴露于500ppm的二氧化硫，可能会出现肺水肿症状，甚至窒息。有效监控管理污染气体的排放成为目前必不可少的治理手段。因此，迫切需要能够快速有效地检测大气中二氧化硫的装置和相关敏感材料。ZnO作为典型的N型半导体材料，具有较高的自由电子的浓度、较快的电子迁移率，较高的自由电子浓度增加了与材料表面相互作用的测试气体分子和化学吸附氧的数量，扩大材料对测试气体的检测限度；较快的电子迁移率，增加了气敏材料在测试过程电阻变化的速率，有利于提高材料对测试气体的响应及恢复速度，实现快速检测的目的，已经用于SO₂气体的检测。但是本征氧化锌半导体在低温下检测低浓度气体存在不足，如灵敏度低、选择性差、工作温度高等，通过对纯金属氧化物进行改性，提高材料电学等物理性质，从而得到可实现在低温下对低浓度SO₂气体进行检测的金属氧化物半导体气敏材料。为此，文献J Hazard Mater,381(2019)120944，用Pt来修饰ZnO，改善它在低温条件下的性能，但受金属颗粒尺寸大小，形态以及均匀性的影响，难以满足高性能气敏材料“响应值高，工作温度低，响应时间恢复时间短”的要求；另外，其复杂的制备工艺和较高的制作成本也难以满足大规模工业化生产的需求。近年来研究者们发现复合金属氧化物结构可以形成异质结，由于费米能级不同，导致的电荷转移通常会在界面处形成电荷耗尽层、势垒，改变材料自身电子浓度，而增强材料的气敏性能。

在复合半导体材料的制备过程中，科研人员经常使用两步水热合成，静电自组装，在两步水热合成复合材料的过程中，首先是合成目标半导体，然后继续水热合成另外一种半导体的制备手段，参见文献Ceremics International45(2019)15134-15142。但是，这些方法都存在着操作繁琐，半导体复合不够均匀，合成周期长等缺陷，这些缺陷也导致了这些方法不能被大量的用于制备复合半导体异质结材料中来。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种半导体异质结气敏材料及其制备方法和应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种半导体异质结气敏材料，该气敏材料为直径1.6-2.5μm的片层状微球，比表面积为20.9m²g^-1-23.9m²g^-1，微球为由氧化锌和氧化镍组成的复合材料，氧化锌和氧化镍的复合材料为六方晶型。

在一些实施例中，氧化镍的摩尔百分比为0.1-1％；优选的，0.3-0.6％；进一步优选的，0.5％。