[发明专利]基于单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线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单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本发明首先采用合成条件简单的硬模板法制备单层氧化锡纳米碗材料，然后采用原子层沉积技术和水热法相结合的工艺制备支化氧化锌纳米线，最终得到了单层氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线多级异质结构。本发明的制备方法具有可重复性强，成品率高，制备效率高，可规模化生产，与MEMS工艺兼容等优点。制得的多级复合气敏纳米材料能够对1 ppm级微量硫化氢实现超灵敏、高选择性探测，同时能够对有机挥发性气体进行微量检测，进而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米材料制备技术领域，具体的说，涉及一种基于单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。

背景技术

近年来，能够监测各种有毒有害、易燃易爆气体的，具有高灵敏度和高选择性的气体传感器已成为公共卫生和环境监测的迫切需求。工业生产中的常见产物硫化氢是危险的有害气体之一，其对人体具有极大危害，微量的硫化氢就足以破坏人体呼吸系统，造成无意识的神经后遗症和心血管相关疾病。鉴于此，有效监测周围生活环境中的硫化氢含量具有重要意义。迄今为止，用于检测微量硫化氢的基于不同机理的各种化学传感器已被广泛研究和开发，包括化学电阻式传感器、电化学传感器和光学传感器。其中，基于半导体金属氧化物材料的化学电阻式气体传感器具有成本低、制造方便、集成电路兼容性好等不可替代的优点，引起了人们极大的研究兴趣。

在各种半导体金属氧化物材料中，n型半导体氧化锡具有载流子迁移率高、稳定性高和成本低等优点，是高性能气体传感器极具前景的候选材料。为了提升氧化锡基气体传感器的性能，大量的研究集中在具有大比表面积的不同纳米结构的设计和制备上，例如纳米颗粒、纳米线和纳米花等。然而，这些纳米材料通常是印刷或滴涂到陶瓷管或微机电系统（MEMS）上，极大地限制了传感器的可靠性和可重复性。因此，一种能够将纳米传感材料和微加热平台无缝集成的制备技术对于开发高稳定性和低功耗的高性能气体传感器至关重要。近年研发的一种原位合成单层大孔材料的硬膜板法能够较好地满足上述要求。原位制备工艺不仅适合晶圆级的制备，而且能够有效降低接触电阻，进一步提升器件性能。

单一氧化锡材料的气体传感器往往存在选择性差、响应/恢复时间长等问题，因此人们提出了贵金属掺杂、多级结构构建和复合异质结构设计等方法以有效提升器件性能。其中，多级结构构建有利于增加材料的比表面积，同时能够在母体和次级纳米结构间的界面形成更多的同质/异质结，已被广泛认为是极具前景的气敏性能提升方法之一，激发了极大的研究兴趣。此外，考虑到不同材料间不同性能的协同效应，异质结构的纳米多级复合材料其气敏性能优于同质多级纳米结构。

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单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本发明提出了一种全新的大规模制备单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线的多级纳米材料的合成路线，具体包括硬膜板法制备单层有序氧化锡纳米碗，原子层沉积技术制备厚度可控的氧化锌籽晶层薄膜，以及水热法制备支化的氧化锌纳米线这三个过程。其中，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，为规模化制备多级异质气敏纳米材料提供了一种全新的思路。本发明制备得到的单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线材料，作为气敏材料具有高比表面积、高灵敏度、高选择性和优良稳定性的特点。

本发明中，单层有序氧化锡纳米碗材料的制备采用合成条件简单的硬模板法，而支化氧化锌纳米线则采用原子层沉积技术和水热法相结合的工艺。本发明的技术解决方案具体如下。

一种基于单层有序氧化锡纳米碗支化氧化锌纳米线结构气敏纳米材料的制备工艺，具体步骤如下：

（1）取PS球或PMMA球粉体，用去离子水超声分散，配制成质量分数为1~4 wt%的分散液，再加入无水乙醇将得到的分散液稀释1~2倍；