一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检测二氧化氮中的应用制造技术

本发明专利技术公开一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检测二氧化氮中的应用，以氧化钨为核，以氧化钛为壳，在氧化钨的外围均匀地包裹氧化钒，氧化钨和氧化钛形成了同轴核壳异质结构，以纳米线基本垂直于基底表面进行设置，以形成纳米线阵列。以对气体吸附和反应具有催化活性的超薄氧化钛壳层与准定向氧化钨纳米线复合构筑新型一维有序核壳复合结构气敏材料，以实现气敏性能改善，由于超薄结构氧化钛对气体吸附具有显著催化活性，同时，两种氧化物异质复合形成的异质结在结构上具有纳米协同效应和异质结效应，而且，有序一维纳米结构阵列能够为气体分子提供高效扩散通道，垂直定向有序阵列结构气敏元件可以在室温下超快灵敏探测氮氧化物。

Application of one-dimensional ordered tungsten oxide / titanium oxide nuclear shell nanowires in the detection of nitrogen dioxide

The present invention discloses application of one dimensional tungsten oxide / titanium oxide core-shell nanowires in the detection of nitrogen dioxide, with tungsten oxide, titania as shell, evenly wrapped in the periphery of vanadium oxide tungsten oxide, tungsten oxide and titanium oxide formed coaxial core-shell heterostructure nanowires with substantially perpendicular to the substrate surface set, to form nanowire arrays. The ultra-thin titanium oxide shell and quasi catalytically active on gas adsorption and reaction to tungsten oxide nanowires composite to construct a new one-dimensional ordered core-shell composite structure of gas sensitive materials, in order to achieve the gas sensing performance, due to the ultrathin structure of titanium oxide has significant catalytic activity on gas adsorption, at the same time, the two kinds of composite oxide heterogeneous junctions formed with nano synergy and heterojunction effect, the structure and the ordered one-dimensional nano structure array can provide efficient channel for the diffusion of gas molecules, the vertical directional ordered array structure of gas sensor at room temperature ultrafast sensitive detection of nitrogen oxides.

【技术实现步骤摘要】
一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检测二氧化氮中的应用
本专利技术属于功能材料制备领域，更加具体地说，涉及一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检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AkiyamaM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，目前主要通过气敏材料改性来提高气敏性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线及其阵列，以及利用这一阵列组成的气敏传感器元件和制备方法与应用。在本专利技术的技术方案中，以对气体吸附和反应具有催化活性的超薄氧化钛壳层与准定向氧化钨纳米线复合构筑新型一维有序核壳复合结构气敏材料，以实现气敏性能改善，由于超薄结构氧化钛对气体吸附具有显著催化活性，同时，两种氧化物异质复合形成的异质结在结构上具有纳米协同效应和异质结效应，而且，有序一维纳米结构阵列能够为气体分子提供高效扩散通道，垂直定向有序阵列结构气敏元件可以在室温下超快灵敏探测氮氧化物。同时，此复合型气敏传感器制备条件易于控制，工艺简单，具有重要的实际价值与研究意义。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线，以氧化钨为核，以氧化钛为壳，在氧化钨的外围均匀地包裹氧化钒，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度为800—1000nm，氧化钨的直径为20-30nm，氧化钛的厚度为10-20nm，氧化钨和氧化钛形成了同轴核壳异质结构。在上述技术方案中，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度为850—1000nm，氧化钨的直径为25-30nm，氧化钛的厚度为10-18nm。由一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在基底上形成纳米线阵列，即氧化钨/氧化钛核壳纳米线基本垂直于基底表面进行设置，以形成纳米线阵列，宏观上表现为膜结构，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度基本与膜厚度一致，为800—1000nm，优选850—1000nm。基于氧化钨/氧化钛核壳纳米线的气敏元件，由基底、铂电极、钨钛复合层和氧化钨/氧化钛核壳纳米线阵列组成，在基底上设置铂电极，在铂电极上设置钨钛复合层，在钨钛复合层上设置氧化钨/氧化钛核壳纳米线阵列，氧化钨/氧化钛核壳纳米线阵列由一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线组成，氧化钨/氧化钛核壳纳米线基本垂直于钨钛复合层，以形成纳米线阵列，宏观上表现为膜结构，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度基本与膜厚度一致，为800—1000nm，优选850—1000nm。在上述技术方案中，氧化钨/氧化钛核壳纳米线，以氧化钨为核，以氧化钛为壳，在氧化钨的外围均匀地包裹氧化钒，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度为800—1000nm，氧化钨的直径为20-30nm，优选25-30nm；氧化钛的厚度为10-20nm，优选10-18nm；氧化钨和氧化钛形成了同轴核壳异质结构。在上述技术方案中，铂电极为叉指形铂电极。在上述技术方案中，钨钛复合层厚度为100—200nm，优选120—150nm。上述气敏元件的制备方法，按照下述步骤进行：步骤1，利用磁控溅射在基底上沉积金属铂，作为电极，以金属Pt作为靶材，以惰性气体为溅射气体，溅射过程中保持真空度小于4×10-4Pa，溅射工作气压1—2Pa，溅射功率为90—100W，惰性气体流量20—25sccm，溅射时间为1—3min；在步骤1中，基底选择单面抛光硅片，或者氧化铝陶瓷片。在步骤1中，使用电极模板覆盖基底，以使金属铂在基底上形成叉指行铂电极。在步骤1中，使用金属铂的纯度为99.999％。在步骤1中，使用惰性气体为氮气、氦气或者氩气，纯度为99.999％。在步骤1中，沉积金属铂的厚度为80—120nm。步骤2，利用DPS-Ⅲ型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机在经过步骤1处理的沉积金属铂的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，溅射过程中保持真空度小于4×10-4Pa，溅射工作气压为1—2Pa，溅射功率为90-100W，惰性气体流量为40—45sccm，溅射时间为20—25min；在步骤2中，使用金属钨的纯度为99.999％。在步骤2中，使用惰性气体为氮气、氦气或者氩气，纯度为99.999％。步骤3，利用真空高温管式炉设备对步骤2制备的钨薄膜进行结晶生长氧化钨纳米线，先以惰性气体将设备中氧予以排尽，再通入氧气和惰性气体的混合气体作为环境气氛，在氧化钨纳米线生长过程中，控制氧气和惰性气体流量分别为0.2sccm和40-45sccm，控制炉内生长压力为180—200Pa，管式炉从室温20—25摄氏度升到620-660℃，升温速率1-3℃/min，在620-660℃保温2—4小时，然后自然冷却至室温取出样品；在步骤3中，控制氧气和惰性气体流量分别为0.2sccm和40sccm，控制炉内生长压力为180Pa；管式炉从室温20—25摄氏度升到630—650℃，升温速率1-3℃/min，在630—650℃保温3-4小时，然后自然冷却至室温。在步骤3中，惰性气体为氮气、氦气或者氩气，纯度为99.999％。在步骤3中，氧气纯度为99.999％。步骤4，氧化钨纳米线的退火处理，将步骤3制备的氧化钨纳米线在350-450℃且空气气氛环境下退火保温1-2小时，以促进氧化钨纳米线的充分氧化和稳定晶向，之后自然冷却至室温；在步骤4中，为了将生长的产物(氧化钨纳米线)转变成稳定的W18O49，以保证薄膜气敏性能的稳定，需要对产物薄膜进行退火处理，自室温20—25摄氏度进行升温，升温速度为1-3℃/min。步骤5，利用真空高温管式炉设备对步骤4制备处理的基底的氧化钨纳米线层上沉积金属钛，以金属钛作为靶材，以惰性气体作为溅射气体，溅射过程中保持真空度小于4×10-4Pa，惰性气体流量为40-45sccm，溅射工作气压为1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检测二氧化氮中的应用，其特征在于，一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线，以氧化钨为核，以氧化钛为壳，在氧化钨的外围均匀地包裹氧化钒，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度为800—1000nm，氧化钨的直径为20‑30nm，氧化钛的厚度为10‑20nm，氧化钨和氧化钛形成了同轴核壳异质结构。

【技术特征摘要】
1.一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检测二氧化氮中的应用，其特征在于，一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线，以氧化钨为核，以氧化钛为壳，在氧化钨的外围均匀地包裹氧化钒，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度为800—1000nm，氧化钨的直径为20-30nm，氧化钛的厚度为10-20nm，氧化钨和氧化钛形成了同轴核壳异质结构。2.根据权利要求1所述的一维有序氧化钨/氧化钛核壳纳米线在检测二氧化氮中的应用，其特征在于，氧化钨/氧化钛核壳纳米线长度为850—1000nm，氧化钨的直径为25-...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦玉香，张晓娟，王克行，张天一，刘雕，胡明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12