高產(chǎn)量高密度氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧系闹苽浞椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧系闹苽浞椒?，屬于材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用真空管式爐，在載氣作用下，在真空中高溫加熱氧化鎢和硫粉，一步合成得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料，所得納微米材料由W18O49、W17O47、W19O55等一系列缺氧型氧化鎢組成。該方法具有沉積條件嚴格可控、設備和工藝簡單、產(chǎn)量大、成本低等優(yōu)點。所獲得的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物產(chǎn)量大、形貌和尺寸可控、具有正阻抗?jié)衩籼匦?，在新型濕敏傳感器方面有廣泛的應用前景。
【專利說明】高產(chǎn)量高密度氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧系闹苽浞椒?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高產(chǎn)量高密度氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧霞捌渲苽浞椒?，屬于材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]濕度傳感器是指電阻或電容隨著濕度的變化而變化的傳感器件。當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕度傳感器能將各種相關(guān)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，如因濕度變化導致的電阻或電容的變化、長度或體積的收縮、以及結(jié)型器件或MOS器件的某些電參數(shù)的變化等。利用這種特性，不僅能夠設計濕度計有效地測量環(huán)境濕度，而且能夠?qū)穸葌鞲衅髦苯釉O計連接到電路之中設計出各種具有不同功能的器件，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)車間、文物保護以及人們的日常生活等方面具有廣泛的應用價值。
[0003]濕敏材料作為影響濕度傳感器性能的關(guān)鍵因素，研究、設計與開發(fā)穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應快、濕滯小、成本低的濕敏材料是開發(fā)高性能濕度傳感器的最重要一環(huán)。目前對濕敏材料的研究主要集中在有機聚合物材料以及多孔陶瓷材料上；但是，近年來，隨著納米科技的迅速發(fā)展，傳感器的發(fā)展逐漸趨向于微型化、自動化，新型納米敏感材料的開發(fā)應用越來越受到關(guān)注。納米材料具有對外界環(huán)境濕度十分敏感的高表面或界面面積，外界環(huán)境濕度變化會迅速引起表面或界面離子價態(tài)及其電子運輸性質(zhì)的變化，因而具有很高的濕度活性。因此，新型納米濕度敏感材料的開發(fā)應用成為濕度傳感器研究的熱點。
[0004]大多數(shù)濕敏材料都呈現(xiàn)出負阻抗?jié)衩籼匦裕措娮桦S著環(huán)境濕度的增大而變小。這樣在設計電路時，就需要首先給濕敏元件設計調(diào)節(jié)初始導通電壓，使其在低濕條件下電路導通，這樣才能使?jié)衩魝鞲衅饔行?。為了?jié)約能源，擴大濕敏傳感器在電路中的有效應用，以及研究不同材料的濕敏機理，制備研究正阻抗?jié)衩籼匦缘牟牧巷@得非常重要。本發(fā)明首次應用熱蒸發(fā)的方法制備出系列缺氧型氧化鎢納米材料，產(chǎn)物產(chǎn)量大，形貌、尺寸可控，且材料呈現(xiàn)出獨特的正阻抗?jié)衩籼匦裕@種材料在濕敏器件上具有廣泛的應用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧霞捌渲苽浞椒?，該方法采用真空管式爐，在載氣作用下，高溫加熱氧化鎢(WO3)和硫
(5)粉，一步合成得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)。該方法具有制備條件嚴格可控、設備和工藝簡單、產(chǎn)量大、成本低等優(yōu)點。所得到的納微米結(jié)構(gòu)材料由一系列缺氧型氧化鎢組成，包括W18O49,W17O47,W19O55等。所獲得的納微米結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)物產(chǎn)量大、尺寸和形貌可控，且這種缺氧型氧化鎢納微米材料具有正阻抗?jié)衩籼匦?。將其設計連接上電極，即可制作成為正阻抗?jié)衩羝骷?br> [0006]本發(fā)明提出的缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，所述方法在真空條件下高溫加熱氧化鎢(WO3)和硫(S)粉，一步合成得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料，包括以下步驟:
[0007](I)在真空管式爐中，將分別裝有WO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩堝、或者裝有胃03和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐中央的加熱區(qū)域。
[0008](2)在加熱前，先用機械泵對整個系統(tǒng)抽真空至0.1Pa以下，然后向系統(tǒng)中通入高純惰性載氣，并重復多次，以排除系統(tǒng)中的空氣。然后以15_30°C /min速率升溫到最高加熱溫度，并保溫數(shù)小時。在加熱過程中，在機械泵持續(xù)工作的前提下通入載氣，流量為100-300標準立方厘米每分鐘(sccm)，且整個加熱過程在惰性載氣保護下完成，最后自然降溫到室溫，即可在陶瓷坩堝中得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料。
[0009]如果將所得納微米缺氧型氧化鎢材料連接上電極，即得到濕敏器件，測試這種材料的濕敏特性。
[0010]在上述制備方法中，所述步驟(1)中的蒸發(fā)源為市售分析純氧化鎢(WO3)粉和硫
(S)粉。
[0011]在上述制備方法中，所述步驟(1)中，如果將裝有WO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩堝分別放置在不同加熱區(qū)域進行加熱，則將裝有WO3粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐的中央溫度最高的加熱區(qū)域，在其氣流上游或者下游距離裝有WO3粉的坩堝10-15mm處加熱溫度較低的區(qū)域放置裝有S粉的氧化鋁陶瓷坩堝。
[0012]在上述制備方法中，所述步驟(1)中，如果將裝有WO3和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐中央的加熱區(qū)域進行加熱，則其中WO3粉和S粉的質(zhì)量比控制在1: 10到10: I之間。
[0013]在上述制備方法中，所述步驟(2)中高純惰性載氣為氬氣、氮氣之中的一種。
[0014]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的惰性載氣為高純氣體，純度在99.99vol.%以上。
[0015]在上述制備方法中，所述步驟(2)中的最高加熱溫度為900-1100°C。
[0016]在上述制備方法中，所述步驟(2)中在最高加熱溫度下保溫時間為2-4小時。
[0017]在上述制備方法中，所得到的納微米結(jié)構(gòu)材料由一系列缺氧型氧化鎢組成，包括W18O49, W17O47, W19O55 中的一種或多種。
[0018]在上述制備方法中，所述材料濕敏器件加工中，電極設計和連接方法包括納微米加工焊鍍電極、將納米粉末涂覆各型電極上等電極加工方式。
[0019]采用本技術(shù)制備缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料，具有制備條件嚴格可控、設備和工藝簡單、產(chǎn)量大、成本低等優(yōu)點。所獲得的納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)物產(chǎn)量大，形貌和尺寸可控，且這種缺氧型氧化鎢納米材料具有正阻抗?jié)衩籼匦浴?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明實施例1所制得的缺氧型氧化鎢納米結(jié)構(gòu)材料的XRD圖譜
[0021]圖2是本發(fā)明實施例1所制得的缺氧型氧化鎢納米結(jié)構(gòu)材料的掃描電鏡照片
[0022]圖3是本發(fā)明實施例1所制得的缺氧型氧化鎢納米結(jié)構(gòu)材料的感濕特性曲線

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。
[0024]本發(fā)明提出一種高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧系闹苽浞椒?，其特征在于，所述方法采用真空管式爐，在機械泵持續(xù)工作的前提下通入載氣，高溫加熱氧化鎢(WO3)和硫(S)粉，一步合成得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料，最后加工上電極制備成濕敏器件測試性能，并包括如下步驟和內(nèi)容:
[0025](I)所采用的蒸發(fā)源為市售分析純的WO3粉和硫粉。
[0026](2)在真空管式爐中，將分別裝有WO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩堝、或者裝有WO3和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐中央的加熱區(qū)域。
[0027](3)在蒸發(fā)源放置過程中，如果將裝有WO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩堝分別放置在不同加熱區(qū)域進行加熱，則將裝有WO3粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐的中央溫度最高的加熱區(qū)域，在其氣流上游或者下游距離裝有WO3粉的坩堝10-15mm處加熱溫度較低的區(qū)域放置裝有S粉的氧化鋁陶瓷坩堝。
[0028](5)在蒸發(fā)源放置過程中，如果將裝有WO3和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐中央的加熱區(qū)域進行加熱，則其中WO3 粉和S粉的質(zhì)量比控制在1: 10到10: I之間。
[0029](6)在加熱前，先用機械泵對整個系統(tǒng)抽真空至0.1Pa以下，然后向系統(tǒng)中通入高純惰性載氣，并重復多次，以排除系統(tǒng)中的空氣。然后以15_30°C /min速率升溫到最高加熱溫度，并保溫數(shù)小時。在加熱過程中，在機械泵持續(xù)工作的前提下通入載氣，流量為100-300標準立方厘米每分鐘(sccm)，且整個加熱過程在惰性載氣保護下完成，最后自然降溫到室溫，即可在陶瓷坩堝中得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料。
[0030](7)實驗所用惰性載氣為高純氬氣或氮氣，且整個實驗加熱過程在載氣保護下完成。
[0031](8)實驗的最高加熱溫度為900-1100°C，保溫時間為2_4小時。
[0032](9)將制備所得材料加工上電極，制備成濕敏器件測試材料性能。
[0033]所得到缺氧氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)外觀上為深綠色、藍色、紫色或棕色粉末。
[0034]在掃描電子顯微鏡下，能觀察到大量的納米或納微米片、納米棒等納米結(jié)構(gòu)。產(chǎn)量大，形貌規(guī)整。XRD圖譜分析表明，所得到的納微米結(jié)構(gòu)材料由一系列缺氧型氧化鎢組成，包括 W18O49, W17O47, W19O55 中的一種或多種。
[0035]實施例1:將裝有0.2g分析純WO3粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在真空管式爐的中央加熱區(qū)，在其氣流下游距離裝有WO3粉的坩堝14mm處放置裝有0.1g分析純S粉的氧化鋁陶瓷坩堝。
[0036]在加熱前，先對整個系統(tǒng)抽真空至0.1Pa以下，然后向系統(tǒng)中通入高純氬氣，并重復2次，以排除系統(tǒng)中的空氣。然后以15°C/min速率升溫到1050°C，保溫2h。在加熱過程中，保持載氣流量為200標準立方厘米每分鐘(sccm)，最后自然降溫到室溫，即可在陶瓷坩堝中得到高產(chǎn)量、高密度缺氧型氧化鎢納米片。
[0037]所合成的納米片為W19O55和W17O47 (見圖1)。形貌均勻，密度高、產(chǎn)量大(見圖2)。材料的濕特性曲線表明，這種材料具有正阻抗特性(見圖3)。
【權(quán)利要求】
1.高產(chǎn)量高密度缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)正阻抗?jié)衩舨牧系闹苽浞椒?，其特征在?所述納微米結(jié)構(gòu)材料由一系列缺氧型氧化鶴納米片、納米棒組成，包括wi8049、W17047、W19O55中的一種或者多種；所述方法通過真空加熱WO3粉和S粉制備得到缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料，包括以下步驟: (1)在真空管式爐中，將分別裝有WO3粉和S粉的氧化鋁陶瓷坩堝、或者裝有WO3和S混合粉的氧化鋁陶瓷坩堝放置在爐中央的加熱區(qū)域； (2)在加熱前，先用機械泵對整個系統(tǒng)抽真空至0.1Pa以下，然后向系統(tǒng)中通入高純惰性載氣，并重復多次，以排除系統(tǒng)中的空氣；然后以15-30°C /min速率升溫到最高加熱溫度，并保溫數(shù)小時；在加熱過程中，在機械泵持續(xù)工作的前提下通入載氣，流量為100-300標準立方厘米每分鐘(sccm)，且整個加熱過程在惰性載氣保護下完成，最后自然降溫到室溫，即可在陶瓷坩堝中得到高產(chǎn)量、高密度、缺氧型氧化鎢納微米結(jié)構(gòu)材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中WO3粉和S粉的加熱蒸發(fā)方法為分別蒸發(fā)或混合蒸發(fā)，其中分別蒸發(fā)時WO3粉放在爐中高溫加熱區(qū)而S粉放在其氣流上游或下游10-15cm處；而混合蒸發(fā)時，則需將WO3粉和S粉的質(zhì)量比控制在1: 10到10: I之間；所述步驟(2)中高純惰性載氣為氬氣、氮氣之中的一種，且均為高純氣體，純度在99.99vol .%以上；所述步驟(2)中最高加熱溫度為900-1100°C，保溫時間2_4小時。
【文檔編號】B82Y40/00GK104071847SQ201410321469
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】彭志堅, 錢靜雯, 符秀麗 申請人:中國地質(zhì)大學（北京）