氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列在探测二氧化氮中的应用制造技术

本发明专利技术提供氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列在探测二氧化氮中的应用，包括沉积钨薄膜材料层、氧化钨纳米线的结晶生长、氧化钨纳米线的退火处理、退火后的氧化钨纳米线表面镀钒、进行钒的退火热处理以及电极的制作。本发明专利技术的有益效果是形貌结构为一维纳米线阵列，具有很高的比表面积，能够充分发挥异质结的优异性，异质结直接的特殊能带结构能有效的降低气敏传感器的工作温度、提高传感器的灵敏度与响应速度。制作工艺成熟、使用方便、价格低廉，有望在气敏传感器领域获得推广应用。

Application of tungsten oxide vanadium oxide heterojunction nanowire arrays in the detection of nitrogen dioxide

The invention provides a tungsten oxide / vanadium oxide heterojunction nanowire arrays used in detection of nitrogen dioxide in, including crystal deposition tungsten film material layer, tungsten oxide nanowires and tungsten oxide nanowires annealed and annealed tungsten oxide nano annealed wire surface plating of vanadium, vanadium and electrode. The beneficial effect of the invention is the morphology structure of a nanowire array, has very high specific surface area, can give full play to advantages of the heterojunction, heterojunction can effectively direct the special gas sensor to reduce working temperature, improve the sensitivity of the sensor and the response speed of belt structure. The production process is mature, easy to use, low price, it is expected to be widely used in the field of gas sensor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氮氧化物气体检测
，更具体地说涉及氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列在探测二氧化氮中的应用。
技术介绍
进入21世纪，工业化水平快速发展，但人类赖以生存的自然环境与生态却遭到严重破坏，空气中存在着大量有毒有害气体(如NO2、NO、H2S、CO、SO2等等)。NOx类有毒气体，能够形成酸雨腐蚀建筑物和皮肤，也能产生化学烟雾，吸入引发咳嗽，更甚者造成呼吸道疾病。因此制作高效且准确检测和预防有毒有害气体的传感器刻不容缓。要获得高性能的纳米传感器，首先就要制备出可以提供这些高性能可能性的纳米材料。金属氧化物半导体型气敏传感器具有低成本，高灵敏度，易于控制与操作的优点，因而受到越来越广泛的关注，但目前研究较成熟的气敏材料金属氧化物半导体有ZnO、SnO2、TiO2等，但他们均不能用于高效检测NOx类气体。随着研究深入，1991年Akiyama M等报道了WO3陶瓷在300度的环境下是检测NOx的高敏感材料。自此，引发众多科研工作者对WO3的研究。WO3是一种金属氧化物半导体，是一种表面电导(电阻)控制型气敏材料。WO3晶体表面的原子性质活跃，容易吸附气体分子，而当气体分子吸附在晶体表面时，会使其内部载流子浓度发生相应的变化，表现为传感器的电阻变化。鉴于氧化钨的活跃原子位于晶体表面因此极大的扩大晶体表面与气体的接触面积，能够有效的改善气敏性能。一维纳米线结构的氧化钨因其巨大的比表面积吸引了众多科研工作者的研究。经过近几年的研究已经可以通过水热法、气相法、溶胶-凝胶等制得。实验结果证明，一维纳米线结构的氧化钨确实提高了检测气体的灵敏度，但这依然不能达到市场化与集成化应用的要求。为了得到高选择性、高灵敏度、低工作温度，高稳定性的气敏传感器，可通过构造异质结构改性。异质结结构目前主要应用于半导体激光器，发光器件，太阳电池等科学领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服以往气敏元器件工作温度高，灵敏度低等的缺点，通过气相方
法制备出形貌良好的氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列结构材料，一维纳米线阵列巨大的比表面积与其优异的异质结构性能使其在提高气敏传感器的灵敏度与响应速度上具有很重要的研究价值。本专利技术的目的通过下述技术方案予以实现。一种氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列传感元件的制备方法，按照下述步骤进行：步骤1，利用对靶磁控溅射在基底上沉积钨薄膜材料层，以金属钨作为靶材，以惰性气体为溅射气体，溅射工作气压为1—2.0Pa，溅射功率为80-110W，溅射时间为15-20min；优选惰性气体为氩气、氦气或者氮气，溅射工作气压为2.0Pa，溅射功率为90-100W，溅射时间为15-20min；步骤2，在真空高温管式炉设备对步骤1制备的钨薄膜进行结晶生长氧化钨纳米线，环境气氛为氧气和氩气的混合气体，在氧化钨纳米线生长过程中，控制氧气和氩气流量分别为0.1sccm和35-50sccm，控制炉内生长压力为140—160Pa，管式炉从室温20—25摄氏度升到600-700℃，升温速率5℃/min，在600-700℃保温1—2小时，然后降温1小时至300-400℃，最后自然冷却到室温20—25摄氏度；优选在生长过程中，控制氧气和氩气流量分别为0.1sccm和35sccm，控制炉内生长压力为150Pa；管式炉从室温20—25摄氏度升到700℃，升温速率5℃/min，在700℃保温1小时，然后降温1小时至400℃，最后自然冷却到室温20—25摄氏度。步骤3，氧化钨纳米线的退火处理，将步骤2制备的氧化钨纳米线在300-500℃且空气气氛环境下退火1-2小时，以进一步稳定晶向；步骤4，利用对靶磁控溅射经过步骤3制备处理的基底的氧化钨纳米线层上沉积钒膜，以金属钒作为靶材，以惰性气体作为溅射气体，惰性气体流量为30-50sccm，溅射工作气压为2.0Pa，溅射功率为80-110W，溅射时间为2-5min；优选惰性气体为氩气、氦气或者氮气，溅射工作气压为2.0Pa，溅射功率为90-100W，溅射时间为2—5min；步骤5，进行钒的退火热处理，将经过步骤4处理得到的沉积金属钒膜的基底在300-500℃且空气气氛环境下退火1—2小时即可；优选在300-400℃且空气气氛环境下退火1—1.5小时即可；步骤6，电极的制作：将步骤5中制备得到的氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列镀铂电极，通过模板在氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列上形成两个间距为0.5-2.5cm，大小
为1mm*1mm-3mm*3mm的电极，以氩气作为工作气体，本底真空度3-9×10-4Pa，采用射频磁控溅射法制备，溅射1-5min，薄膜厚度60-150nm，优选两个间距为1-2cm，大小为2mm*2mm的电极，本底真空度4-6×10-4Pa，采用射频磁控溅射法制备，溅射2min，薄膜厚度80-120nm。在步骤1中，靶材金属钨的质量纯度为99.999％。在步骤4中，靶材金属钒的质量纯度为99.999％。使用的惰性气体的质量纯度为99.999％。所述基底为单面抛光硅片，或者氧化铝陶瓷片。在所述步骤6中，靶材金属铂为质量纯度99.95％，使用的氩气的质量纯度为99.999％。使用日立扫描电镜Hitachi-S4800FESEM和日本电子JEM-2100F场发射透射电子显微镜对氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列进行分析可知，氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列由氧化钨/氧化钒异质结纳米线组成，氧化钨/氧化钒异质结纳米线长度为300—800nm，所述氧化钨纳米线的直径为10-20nm，在所述氧化钨纳米线的外围均匀地包裹氧化钒，所述氧化钒的厚度为20-30nm，氧化钨和氧化钒形成了同轴核壳异质结构，这种结构是最优异的异质结构形式，对比混合分散型与叠层型结构，同轴核壳异质结具有最大的有效异质结面积，对发挥异质结优异性具有重要作用。图3是所制备的氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列透射电子显微镜照片与元素分析线扫描，线扫描结果表面核结构主要为钨元素，壳层为钒元素，充分说明其结构为核壳异质结构。内核为氧化钨纳米线，直径约为20nm，外壳为氧化钒，约为5-10nm的壳层结构。标尺为20nm；透射电镜为日本电子JEM-2100F场发射透射电子显微镜；图4是实施例中氧化钨/氧化钒异质结纳米线阵列结构气敏元件的结构示意图；(1)代表硅基地；(2)代表形成的氧化钨核结构；(3)代表形成的氧化钒壳层；(4)代表制备步骤(7)中在纳米线表面制作的铂电极，与纳米线形成良好的接触，方便与外部测量设备连接测量电阻值；(5)为UT70D电阻检测设备，实时检测电阻的变化，并传输显示到电脑上；(6)为将气敏传感器置于二氧化氮气氛中。图5是气体响应检测平台示意图，如下所示。1为进气孔，通过微量注入剂进入测试量的被测气体；2为如图4所示的气体传感器元件，通过探针与铂电极相连，与外部检测设备连接；3为可以加热并保持至需要温度的平台；4为搭造的测试密封容器，为30L容量；5为迷你风扇，帮助气体扩散，使气体均匀分散在立方容器内；6为出气口；7为可
控调节温度的电子控制仪器；8为优利德公司的UT70D电阻检测设备，实时显示探针连接处的电阻值，并输出至电脑设备；9为将测得的电阻变化记录成表并显示的电脑本文档来自技高网...

【技术保护点】
氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列在探测二氧化氮中的应用，其特征在于，氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列由氧化钨/氧化钒异质结纳米线组成，氧化钨氧化钒异质结纳米线长度为300—800nm，所述氧化钨纳米线的直径为10‑20nm，在所述氧化钨纳米线的外围均匀地包裹氧化钒，所述氧化钒的厚度为20‑30nm，氧化钨和氧化钒形成了同轴核壳异质结构，氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列在室温25‑30℃条件下检测二氧化氮气体上的应用。

【技术特征摘要】
1.氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列在探测二氧化氮中的应用，其特征在于，氧化钨氧化钒异质结纳米线阵列由氧化钨/氧化钒异质结纳米线组成，氧化钨氧化钒异质结纳米线长度为300—800nm，所述氧化钨纳米线的直径为10-20nm，在所述氧化钨纳米线的外围均匀地包裹氧化钒，所述氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦玉香，柳杨，张晓娟，谢威威，胡明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12