传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料及其制备方法和高敏度传感器技术

本发明专利技术公开了一种传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料，包括网状碳纳米线及依次设置在该碳纳米线表面的ZnO薄膜、ZnO纳米晶和电极材料，还公开了该敏感材料的制备方法、以及由该敏感材料制备得到的高敏度传感器。本发明专利技术采用平面式网状传播路径，缩短了信号的传播路程，有利于提高器件的响应灵敏度，而且以网状碳纳米线作为ZnO的载体，方便调控ZnO的聚集形态，提高其分布均匀性，同时工艺简单，可控性好，降低了工艺复杂程度和生产成本。

【技术实现步骤摘要】
传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料及其制备方法和高敏度传感器
本专利技术属于半导体传感
，具体涉及一种传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料及其制备方法、以及由所述ZnO/碳纳米线敏感材料制备得到的高敏度传感器。
技术介绍
传感器在智能家居、安全生产、环境保护、国防等领域已得到广泛应用，尤其以Si基传感器应用最为广泛。Si因制备工艺成熟、成本低廉、尺寸大等优点而受到关注，然而，现有的硅基传感器通常以Si衬底经过刻蚀得到的Si纳米阵列为敏感材料，并通过进一步增加Au电极和引线制成，其中的Si纳米阵列对探测灵敏度有显著影响，导致含有该Si纳米阵列的传感器最小探测极限处于100ppm级别，远亚于其它半导体传感器5-10ppm的水平，此外其响应时间较长，一般为30-50s。ZnO是一种具有六角纤锌矿结构的宽禁带金属氧化物，其原料低廉易得，制备工艺简单，具有优异的光电性能和优良的压电性、气敏性、压敏性及湿敏性，是除Si以外另一种常被用来制作传感器的半导体材料。ZnO基传感器具有响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好等优点，且研究历史较长，开发技术相对成熟。现有技术的Au/ZnO纳米柱阵列传感器最小探测极限为10ppm，明显优于Si纳米阵列传感器，但该类传感器依然存在着制约其工业应用的技术瓶颈，如制备工艺较为复杂，成本较高；ZnO电阻较大，不利于信号采集；传播路径为垂直分布的ZnO纳米柱或纳米线，导致传播路径长、响应速度慢等。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料及其制备方法、以及由所述ZnO/碳纳米线敏感材料制备得到的高敏度传感器。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料，包括网状碳纳米线及依次设置在该碳纳米线表面的ZnO薄膜、ZnO纳米晶和电极材料。优选地，所述网状碳纳米线呈网格状向四周无限延伸，进一步的，所述网格是边长为600-4500nm的正方形。优选地，所述碳纳米线的直径为500-900nm。优选地，所述ZnO薄膜和/或ZnO纳米晶掺杂Al，其厚度小，能降低电阻，提高导电性和传输效率。进一步地，所述ZnO薄膜的厚度为2-8nm，ZnO纳米晶的粒径为2-50nm。优选地，所述电极材料为Au、Ag或导电胶中的至少一种。一种制备上述ZnO/碳纳米线敏感材料的方法，包括步骤：(1)配制前驱体溶液，进行静电纺丝，制得网状前驱体纤维；(2)将上述网状前驱体纤维进行碳化，得到网状碳纳米线；(3)在上述网状碳纳米线表面生长ZnO薄膜，得到网状ZnO/碳纳米线；(4)在上述网状ZnO/碳纳米线表面生长ZnO纳米晶，得到ZnO纳米晶修饰的网状ZnO/碳纳米线；(5)在上述ZnO纳米晶修饰的网状ZnO/碳纳米线表面涂覆电极材料，制得ZnO/碳纳米线敏感材料；上述步骤(1)中，前驱体溶液为聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、氮氮二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液。优选地，所述前驱体溶液的制备工艺如下：将PAN、PVP、DMF按重量比为8-1:1-9:0.05-0.5混合，在60-100℃下加热搅拌8-16h。优选地，所述步骤(1)中，静电纺丝以不锈钢针头为正极，以ITO导电玻璃为衬底，所加电压为7.6kV，喷丝头与接收板之间的距离为10cm。通过电机控制衬底定向移动，实现网格尺寸的精准控制，工艺可控性好，材料用量少，能保证传感器性能的均一性。优选地，所述步骤(2)中，碳化工艺为：将步骤(1)的网状前驱体纤维置于电阻炉中，在N2氛围下以2-10℃/min的升温速率升至600-900℃，煅烧1-5h；进一步地，所述电阻炉为箱式电阻炉。优选地，所述步骤(3)中，ZnO薄膜的生长条件为：将步骤(2)制得的网状碳纳米线放入ZnO溶液中，于80-120℃下在碳纳米线表面沉积生长一层ZnO薄膜，并在80-100℃干燥15-30min。采用水热法在网状碳纳米线上生长ZnO，工艺可控性好，能降低工艺复杂程度和生产成本。优选地，所述步骤(4)中，ZnO纳米晶的生长条件为：将步骤(3)制得的网状ZnO/碳纳米线用提拉机固定，置于ZnO溶胶凝胶溶液中，以1-3mm/min的速率提拉1-3次，自然干燥后放入电阻炉中，在200-600℃下退火10-120min。进一步地，所述ZnO溶液或ZnO溶胶凝胶溶液为醋酸锌/乙醇融合溶液。更进一步，所述ZnO溶液或ZnO溶胶凝胶溶液中掺杂Al，本专利技术对Al掺杂方法没有特别限定，可以采用本领域公知的方法，如添加六水硝酸铝、九水硝酸铝等获得Al掺杂溶液，以得到Al掺杂ZnO。一种高敏度传感器，包括上述ZnO/碳纳米线敏感材料及其四周引出的导线；进一步，所述导线为Au线。本专利技术对该高敏度传感器的应用领域没有具体的限制，包括但不限于气敏传感器、光电传感器和太阳能电池等。本专利技术的有益效果：本专利技术的敏感材料采用平面式网状传播路径，缩短了信号的传播路程，有利于提高器件的响应灵敏度，而且以网状碳纳米线作为ZnO的载体，方便调控ZnO的聚集形态，提高其分布均匀性，同时工艺简单，可控性好，降低了工艺复杂程度和生产成本。附图说明图1是实施例1制备的ZnO/碳纳米线敏感材料的结构示意图；图中，11-ITO导电玻璃，12-网格状Al掺杂ZnO/碳纳米线，13-ZnO纳米晶，14-Au电极。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细的说明。实施例1图1本实施例制备的传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料的结构示意图，其制备方法包括步骤：(S1)配置前驱体溶液：将PAN、PVP、DMF按重量比为1:9:0.05混合，在90℃下加热搅拌12h，得到均一的前驱体溶液溶液；(S2)将步骤(S1)的前驱体溶液置于喷丝管中，以ITO导电玻璃11为衬底通过静电纺丝制得边长为1500nm的网格状前驱体纤维；(S3)将步骤(S2)的网格状前驱体纤维置于箱式电阻炉中，在N2氛围下以4℃/min的升温速率升至800℃，煅烧2h，得到直径为700nm的网格状碳纳米线；(S4)将步骤(S3)制得的网格状碳纳米线放入Al掺杂ZnO溶液中，于80-120℃下在碳纳米线表面沉积生长一层4nm的ZnO薄膜，得到网格状Al掺杂ZnO/碳纳米线12；(S5)将步骤(S4)制得的网格状Al掺杂ZnO/碳纳米线12用提拉机固定，置于未掺杂Al的ZnO溶胶凝胶溶液中，以1mm/min的速率提拉2次，自然干燥后放入电阻炉中，在300℃下退火30min，得到修饰网格状Al掺杂ZnO/碳纳米线12的ZnO纳米晶13；(S6)在步骤(S5)制得的ZnO纳米晶修饰的网格状Al掺杂ZnO/碳纳米线四周涂覆Au电极14，得到如图1所示的敏感材料。实施例2按照实施例1的方法制备ZnO/碳纳米线敏感材料，将步骤(S5)未掺杂Al的ZnO溶胶凝胶溶液用相同浓度的Al掺杂ZnO溶胶凝胶溶液替代。实施例3按照实施例2的方法制备ZnO/碳纳米线敏感材料，不同的是，将步骤(S4)Al掺杂ZnO溶液用相同浓度的未掺杂Al的ZnO溶液替代。以上实施例仅用于说明本专利技术的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本专利技术精神和范围的任何修改或者等同替换，其均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料，其特征在于，所述敏感材料包括网状碳纳米线及依次设置在网状碳纳米线表面的ZnO薄膜、ZnO纳米晶和电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种传播路径水平分布的ZnO/碳纳米线敏感材料，其特征在于，所述敏感材料包括网状碳纳米线及依次设置在网状碳纳米线表面的ZnO薄膜、ZnO纳米晶和电极材料。2.根据权利要求1所述的敏感材料，其特征在于，所述网状碳纳米线呈网格状向四周无限延伸。3.根据权利要求2所述的敏感材料，其特征在于，所述网格是边长为600-4500nm的正方形。4.根据权利要求1所述的敏感材料，其特征在于，所述碳纳米线的直径为500-900nm。5.根据权利要求1所述的敏感材料，其特征在于，所述ZnO薄膜和/或ZnO纳米晶掺杂Al，其中ZnO薄膜的厚度为2-8nm，ZnO纳米晶的粒径为2-50nm。6.根据权利要求1所述的敏感材料，其特征在于，所述电极材料为Au、Ag或导电胶中的至少一种。7.一种制备权利要求1-6中任一项所述的ZnO/碳纳米线敏感材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制前驱体溶液，进行静电纺丝，制得网状前驱体纤维；(2)将步骤(1)的网状前驱体纤维进行碳化，得到网状碳纳米线；(3)在步骤(2)的网状碳纳米线表面生长ZnO薄膜，得到网状ZnO/碳纳米线；(4)在步骤(3)的网状ZnO/碳纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨为家，何鑫，刘均炎，刘俊杰，刘铭全，刘艳怡，王诺媛，沈耿哲，江嘉怡，赵思柔，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：发明
国别省市：广东,44