一种基于金属氧化物半导体薄膜材料的H2S气体传感器及其制备方法技术

一种基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。首先是在氧化铝陶瓷衬底的金叉指电极上制备种子层，在种子层的基础上采用电化学沉积的方法，将金属材料沉积在电极上，热退火后得到金属氧化物半导体薄膜材料。以制备的NiO/CuO薄膜纳米材料为例，对低浓度的H2S气体表现出较高的响应，在检测H2S含量方面有很好的应用前景。该制备方法的条件温和，合成方法简单，成本低廉，实验周期短，并且具有很好的重现性，因此具有重要的应用价值。

A H2S Gas Sensor Based on Metal Oxide Semiconductor Thin Film Materials and Its Preparation Method

A H2S gas sensor based on metal oxide semiconductor film nanometer material and its preparation method belong to the technical field of semiconductor oxide gas sensor. Firstly, seed layer was prepared on the gold interdigital electrode of alumina ceramic substrate. On the basis of seed layer, the metal material was deposited on the electrode by electrochemical deposition. After thermal annealing, the metal oxide semiconductor film material was obtained. As an example, NiO/CuO thin film nano-materials have high response to low concentration of H_2S gas, and have good application prospects in the detection of H_2S content. The preparation method has mild conditions, simple synthesis method, low cost, short experimental period and good reproducibility, so it has important application value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属氧化物半导体薄膜材料的H2S气体传感器及其制备方法
本专利技术属于半导体氧化物气体传感器
，具体涉及一种基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器及其制备方法。
技术介绍
社会工业化的发展和人类的活动导致了空气中各种有毒气体浓度的增加，造成臭氧层的消耗，全球变暖和气候变化。因此，控制空气污染变得越来越重要。长期接触低浓度的有害气体会导致人体呼吸系统感觉异常，头痛，疲劳，甚至阻碍氧气向血细胞的转移。为了保护人体健康和环境安全，早期发现环境中有毒气体受到了高度关注。金属氧化物纳米材料由于其小尺寸效应和特殊的表面性质，表现出新颖的光学、电学和化学性质，是化学传感器领域的主流和热点，并已在工业/家庭安全等领域得到了重要应用。许多半导体纳米结构材料如SnO2，TiO2，ZnO等已被广泛用作优异的传感材料。传统的气体传感器是采用管式结构，需要先制备粉体材料再将其涂覆在陶瓷管上，最后通过烧结等方式获得传感器件。这种器件结构的制备过程复杂耗时，并且所制备的敏感膜的孔隙性难以控制，一致性较差。如果在衬底上直接生长敏感材料则可以克服这一问题。目前已经使用各种方法来制备金属氧化物纳米材料，如溅射、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、水热生长。其中电化学沉积是一种用来制备各种多晶薄膜和纳米结构的液相方法，已经成功制备金属、陶瓷材料、半导体、超晶格和超导体薄膜等材料。随着科学技术的不断发展和深入，电化学沉积的研究领域不断拓宽和扩展，已迅速地发展成为具有重大工业意义的一门技术。电化学沉积法因其自身的特点，通常在室温或稍高于室温的条件下进行，因此非常适合制备纳米结构。通过控制工艺条件(如:电流，电位，溶液pH值，温度，浓度，组成等)可精确控制沉积层的厚度，化学组成和结构等。因此，电化学沉积法设备投资少，工艺简单，操作容易，环境安全，生产方式灵活，适于工业化生产，是一种经济的制备方法。
技术实现思路
针对
技术介绍
中电化学沉积的优势，本专利技术提供一种在陶瓷基板上沉积氧化物半导体薄膜的制备方法及该材料在H2S气体传感领域的应用。本专利技术所述的气体传感器，由作为对电极的铂片，作为参比电极的饱和甘汞电极，作为工作电极的以氧化铝陶瓷片为基板的金叉指电极所组成的三电极系统构成。利用电化学工作站，采用恒电位电沉积方法在工作电极上制备氧化物半导体薄膜。电沉积的制备方法可以获得多种物质的纳米材料，可以获得各种晶粒尺寸的纳米材料，成本低、效率高。电合成反应的条件温和，通常不需要高温高压。并且具有重现性高、操作简单等优点，因此具有重要的应用价值。本专利技术所述的氧化物半导体薄膜是按照阴极电沉积机理进行的，即：在配置好的电解质溶液中进行电沉积时，电解质溶液中的还原剂(如H2O，NO3-等)首先在电极表面还原，并形成OH-；随后，溶液中金属离子或络合物与吸附在电极表面的OH-反应，生成金属氢氧化物；最后进行退火处理，金属氢氧化物进一步脱水生成金属氧化物薄膜。本专利技术所述的一种基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器的制备方法，以制备NiO/CuO和贵金属Pt掺杂的NiO纳米薄膜材料为例，其步骤如下：(1)将购买到的以氧化铝陶瓷片为基板的金叉指电极浸入到丙酮中，超声清洗20～40min；取出后用去离子水冲洗干净，再放入乙醇中超声清洗10～20min，最后放入去离子水中超声清洗10～20min，在30～60℃条件下烘干1～3h后备用；(2)量取0.4～1.2g硝酸镍加入到5～10mL去离子水和5～10mL乙醇的混合溶液中，搅拌10～20min直至其全部溶解，得到硝酸镍溶液；将硝酸镍溶液以2000～5000r/min条件在步骤(1)得到的金叉指电极上旋涂50～90s，最后在200～400℃条件下在空气中热处理20～60min，从而在金叉指电极上制备得到厚度0.1～0.3μm的NiO种子层；(3)量取0.6～1.2g硝酸镍、0.1g～0.5g硝酸铜或0.3～1.0mL氯铂酸加入到15～30mL去离子水和15～30mL乙醇的混合溶液中，搅拌30～60min直至其全部溶解，得到混合溶液；(4)采用三电极系统，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，氧化铝陶瓷片为基板的带有NiO种子层的金叉指电极作为工作电极；以步骤(3)制备得到的混合溶液作为电化学沉积的沉积液；(5)采用阴极恒电位电沉积方法，以工作电极作为阴极，对电极作为阳极，在工作电极上施加-2.0～-0.5v的恒定电压，沉积时间为200～400s；沉积后将金叉指电极在400～600℃下退火1.5～5.0小时，从而得到均匀生长在金叉指电极上的作为纳米敏感材料的金属氧化物半导体薄膜；(6)将步骤(5)得到的具有金属氧化物半导体薄膜的以氧化铝陶瓷片为基板的金叉指电极放置在陶瓷管加热片上(通过改变陶瓷管加热电流可以改变材料工作温度)，通过铂丝引线将金叉指电级焊接在管座上，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到金属氧化物半导体薄膜的气体传感器。本专利技术制备的基于氧化物半导体薄膜纳米材料的气体传感器具有以下优点：1.利用简单的电化学沉积方法可制备多种物质的纳米材料，合成方法简单，成本低廉，实验周期短；2.电化学沉积方法的条件温和，通常不需要高温高压。并且具有重现性高、操作简单等优点，因此具有重要的应用价值。3.通过电化学沉积已制备的金属氧化物半导体薄膜材料，提高了对H2S的灵敏度，具有较高的响应特性，在检测H2S含量方面有广阔的应用前景4.所得材料可直接作为器件用于气敏测试，不需进一步涂件，烧结，使用方便。附图说明图1：实施例1制备的NiO/CuO薄膜纳米材料的SEM形貌图；其中(a)图的放大倍数为3000倍，插图放大倍数为15000倍；(b)图的放大倍数为15000倍，插图放大倍数为50000倍；如图1所示，图(a)为陶瓷基板上所制备材料形貌，可以明显看出，它由大量的有裂纹的小的NiO膜组成，小的NiO膜的大小2～10μm左右。图(b)为金电极上所制备材料形貌，可以看到是由颗粒所组成的绳状结构；图2：实施例1制备的NiO/CuO薄膜纳米材料的XRD图；从图中可以看到有NiO、NiO2的特征峰，说明样品包含NiO和NiO2晶体，由于铜掺杂量较少，未检测出铜相应的特征峰。所检测到Al2O3是由于陶瓷基板主要成分为Al2O3导致的；图3：实施例1中传感器在工作温度为140℃时对1ppm不同气体的选择性示意图；可以看到实施例中传感器相对于其他有害气体，对H2S具有较高的灵敏度；图4：实施例1中传感器在最佳工作温度下灵敏度随着H2S浓度变化曲线。实施例中传感器在最佳工作温度下，器件的灵敏度随着H2S浓度的增加而增大。图5：实施例2中传感器在工作温度为110℃时对1ppm不同气体的选择性示意图；可以看到实施例中传感器相对于其他有害气体，对H2S具有较高的灵敏度；图6：实施例2中传感器在最佳工作温度下灵敏度随着H2S浓度变化曲线。实施例中传感器在最佳工作温度下，器件的灵敏度随着H2S浓度的增加而增大。注：当金叉指电极上没有金属氧化物薄膜材料时，两个梳状电极没有连接，此时叉指电级两端的电阻无穷大。当金属氧化物薄膜材料沉积在叉指电极上后，由于薄膜材料的存在，使两个不接触的梳状电极导通，此时测量电极两端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器的制备方法，其步骤如下：(1)将以氧化铝陶瓷片为基板的金叉指电极浸入到丙酮中，超声清洗20～40min；取出后用去离子水冲洗干净，再放入乙醇中超声清洗10～20min，最后放入去离子水中超声清洗10～20min，在30～60℃条件下烘干1～3h后备用；(2)量取0.4～1.2g硝酸镍加入到5～10mL去离子水和5～10mL乙醇的混合溶液中，搅拌10～20min直至其全部溶解，得到硝酸镍溶液；将硝酸镍溶液以2000～5000r/min条件在步骤(1)得到的金叉指电极上旋涂50～90s，最后在200～400℃条件下在空气中热处理20～60min，从而在金叉指电极上制备得到厚度0.1～0.3μm的NiO种子层；(3)量取0.6～1.2g硝酸镍、0.1g～0.5g硝酸铜或0.3～1.0mL氯铂酸加入到15～30mL去离子水和15～30mL乙醇的混合溶液中，搅拌30～60min直至其全部溶解，得到混合溶液；(4)采用三电极系统，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，氧化铝陶瓷片为基板的带有NiO种子层的金叉指电极作为工作电极；以步骤(3)制备得到的混合溶液作为电化学沉积的沉积液；(5)采用阴极恒电位电沉积方法，以工作电极作为阴极，对电极作为阳极，在工作电极上施加‑2.0～‑0.5v的恒定电压，沉积时间为200～400s；沉积后将金叉指电极在400～600℃下退火1.5～5.0小时，从而得到均匀生长在金叉指电极上的作为纳米敏感材料的金属氧化物半导体薄膜；(6)将步骤(5)得到的具有金属氧化物半导体薄膜的以氧化铝陶瓷片为基板的金叉指电极放置在陶瓷管加热片上，通过铂丝引线将金叉指电级焊接在管座上，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属氧化物半导体薄膜纳米材料的H2S气体传感器的制备方法，其步骤如下：(1)将以氧化铝陶瓷片为基板的金叉指电极浸入到丙酮中，超声清洗20～40min；取出后用去离子水冲洗干净，再放入乙醇中超声清洗10～20min，最后放入去离子水中超声清洗10～20min，在30～60℃条件下烘干1～3h后备用；(2)量取0.4～1.2g硝酸镍加入到5～10mL去离子水和5～10mL乙醇的混合溶液中，搅拌10～20min直至其全部溶解，得到硝酸镍溶液；将硝酸镍溶液以2000～5000r/min条件在步骤(1)得到的金叉指电极上旋涂50～90s，最后在200～400℃条件下在空气中热处理20～60min，从而在金叉指电极上制备得到厚度0.1～0.3μm的NiO种子层；(3)量取0.6～1.2g硝酸镍、0.1g～0.5g硝酸铜或0.3～1.0mL氯铂酸加入到15～30mL去离子水和15～30mL乙醇的混合溶液中，搅拌30～60min直...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凤敏，刘月颖，索辉，张轶群，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22