介孔薄膜的氣體傳感器制備方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種基于Pt摻雜SnO2介孔薄膜的氣體傳感器制備方法，屬于無機半導(dǎo)體傳感材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。Pt摻雜31!02介孔薄膜作為敏感材料檢測甲烷氣體，具有靈敏度高、響應(yīng)和恢復(fù)速度快等優(yōu)點，可用于快速檢測甲烷氣體。
[0002]【背景技術(shù)】:
甲烷是可燃冰、天然氣、沼氣、瓦斯氣體和頁巖氣的主要成分，具有易燃、易爆性和溫室效應(yīng)，其溫室效應(yīng)是等效體積CO2的數(shù)十倍。因此，及時檢測甲烷的產(chǎn)生源、泄漏源及濃度，對工礦安全運行、人身安全及環(huán)境保護都有著十分重要的作用。
[0003]氧化錫是一種目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體氣敏材料，可應(yīng)用于測定部分氧化性氣體和部分還原性氣體。為了進一步提升其氣體傳感性能，氣敏材料的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為發(fā)展的重要方向，其中介孔納米結(jié)構(gòu)氣敏材料的制備吸引了廣泛的關(guān)注，這是由于其既具有納米材料的大比表面積、多的吸附活性位點的優(yōu)勢，同時又避免了納米材料在應(yīng)用過程中易團聚的弊端。介孔孔道尺寸在2-50nm之間，既利于增加氣體分子的有效吸附面積，又利于減少氣體分子的傳質(zhì)距離，從而能有效提高其氣敏性能并減少響應(yīng)時間。
[0004]介孔SnO2的介孔形貌結(jié)構(gòu)與其氣敏性能間具有很大的關(guān)聯(lián)性。尋求最優(yōu)的介孔SnO2孔形貌結(jié)構(gòu)，從而制備出高傳感性能和高選擇性能的的氣敏材料成為提升氣敏器件性能的關(guān)鍵。SnO2介孔材料主要是以粉末狀顆粒形體存在。目前，介孔金屬氧化物薄膜的制備仍是一個技術(shù)難題。相對而言，介孔T12薄膜制備比較成熟，文獻(xiàn)報道較多，而介孔SnO 2薄膜相對較少。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，J.H.Pan等利用嵌段聚合物F127作為軟模板，采用旋涂法在玻璃基板上制備出了孔徑約為9.1nm的介孔SnO2薄膜(J.Phys.Chem.C，2007，111，5582-5587);張錦瑞等采用嵌段聚合物P123作為軟模板，利用同樣的方法在玻璃基板上制備出了孔徑約為5nm的Pd摻雜SnO2無序介孔薄膜(儀表技術(shù)與傳感器，2010，N0.7，7-9)。這些方法制備的介孔SnO2薄膜孔的有序性差，難以在基板上形成連續(xù)的、有宏觀取向性的介孔薄膜，同時采用旋涂法，對工藝控制要求較高。T.Brezesinski等利用嵌段聚合物KLE22，采用提拉法制備出了孔徑約為14nm的介孔SnO2薄膜(Adv.Funct.Mater.2006，16，1433 - 1440)，Y.D.Wang等也采用同樣的方法獲得了 Sb、Nb、Ta摻雜31102介孔薄膜(ACS Nano, 3 (6)，1373 - 1378)。然而，提拉法制備薄膜，在基板兩面均有SnO2薄膜，作為傳感器元件大大影響敏感層的電阻、加熱、對氣體響應(yīng)等，因而不能用于制作氣體傳感器的傳感層，并且該方法不足之處在于需要應(yīng)用一種特殊的聚合物KLE22，因為這種特殊的聚合物，使得生產(chǎn)成本增加且應(yīng)用范圍受到限制。同時，也有研究者通過介孔SnO2材料的合成、分散，以及轉(zhuǎn)移到氣敏傳感器襯底，最后通過熱處理形成氣敏元件，這樣的二次轉(zhuǎn)移工藝難以使介孔結(jié)構(gòu)氣敏材料的敏感性能得到充分發(fā)揮，而且由二次轉(zhuǎn)移而形成的氣敏薄膜與電極之間電學(xué)接觸的可靠性難以保證，從而影響氣敏元件的性能穩(wěn)定性和可靠性。此夕卜，復(fù)雜的工藝過程也不利于器件的規(guī)模化生產(chǎn)。我們的研究發(fā)現(xiàn)，通過自擴散溶劑揮發(fā)自組裝方法，采用聚異丁烯聚環(huán)氧乙烷嵌段聚合物，在在濺射有金叉指電極的硅基片拋光表面可以制備出孔徑為12?15nm，且具有規(guī)整性的孔道豎直的Pt摻雜SnO2有序介孔薄膜，并有效地提高和改善其對甲烷氣體的氣體敏感性能。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
因此，本發(fā)明要解決的問題是，采用簡單的一次成膜工藝制備SnO2介孔薄膜作為氣體傳感器傳感層，該氣體傳感器制備方法避免了上述技術(shù)現(xiàn)狀的缺點，并利用Pt摻雜51102介孔薄膜獨特的形貌特性和功能特性，將其作為甲烷氣體敏感材料，有利于現(xiàn)場快速檢測和監(jiān)測甲烷氣體，實現(xiàn)工礦安全運行、人身安全及環(huán)境保護。
[0006]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0007]—種基于Pt摻雜SnO2有序介孔薄膜的氣體傳感器的制備方法，具有以下步驟:
(1)SnO2溶膠的制備:前驅(qū)物為聚異丁烯聚環(huán)氧乙烷嵌段共聚物、無水四氯化錫、無水乙醇和四氫呋喃，將嵌段共聚物加入無水乙醇和四氫呋喃溶液中(按質(zhì)量比I?3:24:25配制溶膠)，超聲震蕩30 min，得到透明溶液A，將無水SnCl4溶解到無水乙醇中(質(zhì)量比1:6)，得到溶液B，在攪拌中將溶液B緩慢滴加到A中，攪拌30 min,得到SnO2溶膠；
(2)Pt摻雜SnO2溶膠的制備:摻雜劑氯鉑酸按與錫質(zhì)量比1.0%?5.5%滴加到步驟(I)所得SnO2溶膠中，所得溶膠在室溫下磁力攪拌(500r/min) 24h，然后在室溫下陳化24h ;
(3)將步驟(2)所得溶膠滴到濺射有金叉指電極的硅基片拋光表面，每次溶膠用量為I?2滴，待溶膠自然擴散到整個硅片表面I h后將硅片制品在高溫下烘干，再置于馬弗爐中進行熱處理，在硅基片表面制得Pt摻雜SnO2介孔薄膜，即得Pt摻雜SnO 2介孔薄膜氣體傳感器元件。
[0008]【附圖說明】:
圖1為實施例一所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜的X射線衍射圖；
圖2為實施例一所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜的掃描電子顯微鏡照片圖；
圖3為實施例一所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜傳感器對甲烷的靈敏度；
圖4為實施例二所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜的掃描電子顯微鏡照片圖；
圖5為實施例二所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜傳感器對甲烷的靈敏度；
圖6為實施例三所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜的掃描電子顯微鏡照片圖；
圖7為實施例三所制備的Pt摻雜SnO2介孔薄膜傳感器對甲烷的靈敏度。
[0009]【具體實施方式】:
本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純試劑，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。
[0010]實施例一:
(O SnO2溶膠的制備:前驅(qū)物為聚異丁烯-b~聚環(huán)氧乙烷嵌段共聚物、無水四氯化錫、無水乙醇和四氫呋喃，將嵌段共聚物加入無水乙醇和四氫呋喃溶液中(按質(zhì)量比1:24:25配制溶膠)，超聲震蕩30 min，得到透明溶液A，將無水SnCl4溶解到無水乙醇中(質(zhì)量比1:6)，得到溶液B，在攪拌中將溶液B緩慢滴加到A中，攪拌30 min,得到SnO2溶膠；
(2) Pt摻雜SnO2溶膠的制備:摻雜劑氯鉑酸按與錫質(zhì)量比1.0%滴加到步驟(I)所得SnO2溶膠中，所得溶膠在室溫下磁力攪拌(500r/min) 24h，然后在室溫下陳化24h ;
(3 )保持空氣相對濕度為10%，將步驟(2 )所得溶膠滴到濺射有金叉指電極的硅基片拋光表面，每次溶膠用量為I滴，待溶膠自然擴散到整個硅片表面Ih后將硅片制品在80°C下12h烘干處理； (4)將步驟(3)烘干處理后的樣品硅片在馬弗爐中熱處理時，升溫速率為l°C/min，熱處理溫度為500°C，熱處理時間為lh。
[0011](5)將步驟(4)制備的Pt摻雜31102介孔薄膜傳感器測試其對甲烷氣體