[发明专利]一种ZnO纳米颗粒修饰α-三氧化钼异质结的高性能乙醇气体传感器

说明书

本发明公开了一种ZnO纳米颗粒修饰α‑三氧化钼异质结的高性能乙醇气体传感器，属于功能纳米材料及半导体氧化物气体传感器技术领域。本发明以一维α‑MoOsubgt;3/subgt;纳米带为基体，并采用简单的液相化学法使氧化锌纳米颗粒均匀的负载在一维α‑MoOsubgt;3/subgt;纳米带的表面进行表面修饰，两者形成N‑N型的异质结复合材料。基于该复合材料制备了高性能乙醇气敏传感器，该传感器由外表面带有2条环状金电极的氧化铝陶瓷管衬底、涂覆在金电极和氧化铝陶瓷管外表面上的N‑N型的异质结复合材料(敏感层)以及位于氧化铝陶瓷管衬底内部的镍铬加热丝组成。本发明制备的传感器稳定性好，可靠性强，重复性强，适用于日常生活中乙醇气体的快速检测。

技术领域

本发明涉及功能纳米材料及半导体氧化物气体传感器技术领域，特别是涉及一种ZnO纳米颗粒修饰α-三氧化钼异质结的高性能乙醇气体传感器。

背景技术

如今，气体传感器在检测不同的有毒气体和有害蒸汽方面发挥着重要作用。随着人口的增长和各行业的发展，对气体传感器灵敏度、选择性、响应和恢复时间等传感参数的要求越来越高。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测报警系统。

乙醇对人体的危害主要是对中枢神经系统的危害，主要是对大脑的影响，它会削弱中枢神经系统的功能，使大脑的活动变得迟缓，同时它也会造成对于记忆判断以及一些人体反射的影响。乙醇蒸气的检测方法有比色法、气相色谱法、光谱法等，但检测过程复杂，仪器昂贵，阻碍了其广阔的应用前景。因此，研制响应恢复特性快、选择性好、响应值高、简单便携的乙醇敏感传感器至关重要。

到目前为止，基于Fe₂O₃、TiO₂、NiO、In₂O₃和SnO₂半导体金属氧化物的电阻式气体传感器已被广泛研究，主要原因是这种传感器体积小，成本低，易于集成。其中MoO₃作为一种宽禁带半导体材料，表面存在有与待测气体选择性作用的活性位点，因此具有很好的气敏特性。气敏材料在相应温度下对NH₃、H₂、CO、NO₂等气体均表现出一定的传感性能。但传统方法制备的纯MoO₃材料具有比面积小、孔隙率低的缺点，限制了气体分子与敏感材料之间的反应和气体扩散，导致对各种气体的响应在灵敏度、选择性、响应速度等方面都不太理想，不能满足人们对高灵敏度传感器的要求。MOS材料的气敏性能还高度依赖于其形貌和结构。高的比表面积、充足的气体扩散路径、充足的电子传导通道是需要遵循的几个结构因素。而现有技术对于氧化钼材料尤其是其纳米级别的结构形貌的研究正处于起步阶段，为了获取不同的材料形貌，往往对制备方法有着严苛的要求。

在实际应用中，单相金属氧化物不能满足所有的气敏性能要求。因此，制备α-MoO₃纳米复合材料被认为是克服它们的缺点的一个有吸引力的选择。包括纳米粒子表面修饰、核壳结构设计、金属离子掺杂和异质结构形成。与单一组分金属氧化物相比，与其n型或p型半导体构建异质结构是提高气敏性能的重要途径，这一思想不仅充分利用了它们不同的表面特性，而且获得了控制MOS气体传感器信号传输过程的能力。当构建两个MOS半导体时，它们不同的功函数会导致异质界面处产生空间电荷层，从而改变传感材料的电荷转移特性。在p-n或n-n界面附近形成了额外的损耗区域。样品中的p-n或n-n异质结可以调节其厚度，电子损耗层与表面反应，进一步改善了电荷迁移以及传感器的传感性能。除了n型和p型MOS各自的优势所带来的协同效应外，p-n结的形成所产生的许多其他有趣的效应也被发现对气敏过程有很大的正效应，如载流子分离、表面能带弯曲、晶格氧活化。

发明内容

本发明的目的是提供一种ZnO纳米颗粒修饰α-三氧化钼异质结的高性能乙醇气体传感器，以解决现有技术中存在的问题。