一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。本发明专利技术提供的气敏传感器包括导电衬底、设置在所述导电衬底单面的晶面异质结薄膜以及设置在所述晶面异质结薄膜上的电极；其中，所述晶面异质结薄膜由TiO2金红石相晶面异质结材料形成，所述TiO2金红石相晶面异质结材料包括TiO2金红石相纳米柱和生长在所述TiO2金红石相纳米柱表面的TiO2金红石相纳米片，所述TiO2金红石相纳米柱的(110)晶面和(002)晶面均与TiO2金红石相纳米片的(101)晶面形成晶面异质结结构。本发明专利技术提供的气敏传感器在室温条件下对H2具有非常高的灵敏度，且长期工作稳定性好。定性好。定性好。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢气是一种无色无味且极易燃烧的气体，在生产、运输以及使用过程中实时监测环境中的氢气浓度对保护工作人员免受身体伤害至关重要。因此，研究具有高响应灵敏度的氢气传感器是目前研究者们关注的热点。在氢气传感器中，敏感材料的设计以及器件结构的构建是提高氢气传感器响应性能的关键所在。
[0003]在众多半导体金属氧化物(SMO)材料中，TiO2具有无毒、生物相容性好、耐光腐蚀、成本低、原材料丰富以及制备工艺简单等特点，是SMO气敏传感器制备中的一种理想材料。但是，TiO2基气敏传感器也存在着一些缺点，例如传感器响应灵敏度特性差、响应时间和恢复时间长等。
[0004]目前，研究人员致力于通过纳米结构工程、掺杂策略、表面处理和构建异质结来实现更高的器件灵敏度，其中，构建异质结传感器件获得了最广泛的关注。根据材料的半导体性质，构建的异质结可以分为p-n、n-n和p-p型。其中，p型SMO材料与n型SMO材料构成的p-n型异质结包括CuO/SnO2、ZnO/CuO、NiO/SnO2、Fe2O3/Co3O4、PdO@ZnO以及PdO@WO3等，两种n型金属半导体材料构成的n-n异质结包括SnO2/ZnO、ZnO/In2O3、α-Fe2O3@TiO2、V2O5@TiO2、TiO2@SnO2、TiO2@WO3以及TiO2/ZnO等。研究表明，上述异质结能够调节势垒高度，形成电荷“积累层”，促进氧负离子的吸附，从而可以在一定程度上增强气体传感性能。然而，基于上述异质结制备的气敏传感器的长期工作稳定性低，且灵敏度仍有待进一步提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种二氧化钛金红石相异面结气敏传感器及其制备方法，本专利技术提供的TiO2金红石相晶面异质结气敏传感器在室温条件下对H2具有非常高的灵敏度，且长期工作稳定性好。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，包括导电衬底、设置在所述导电衬底单面的晶面异质结薄膜以及设置在所述晶面异质结薄膜上的电极；其中，所述晶面异质结薄膜由TiO2金红石相晶面异质结材料形成，所述TiO2金红石相晶面异质结材料包括TiO2金红石相纳米柱和生长在所述TiO2金红石相纳米柱表面的TiO2金红石相纳米片，所述TiO2金红石相纳米柱的(110)晶面和(002)晶面均与TiO2金红石相纳米片的(101)晶面形成晶面异质结结构。
[0008]优选地，所述晶面异质结薄膜的厚度为1～4.5μm。
[0009]优选地，所述TiO2金红石相纳米柱的直径为50～240nm，长度为1～4.5μm。
[0010]优选地，所述TiO2金红石相纳米片的片径尺寸为20～150nm。
[0011]优选地，所述导电衬底为FTO衬底或AZO衬底；所述电极为叉指电极。
[0012]本专利技术提供了上述技术方案所述二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0013]在导电衬底的单面制备晶面异质结薄膜，得到含晶面异质结薄膜衬底；其中，所述晶面异质结薄膜由TiO2金红石相晶面异质结材料形成，所述TiO2金红石相晶面异质结材料包括TiO2金红石相纳米柱和生长在所述TiO2金红石相纳米柱表面的TiO2金红石相纳米片；
[0014]在所述含晶面异质结薄膜衬底的晶面异质结薄膜表面制备电极，得到二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器。
[0015]优选地，在导电衬底的单面制备晶面异质结薄膜包括：
[0016]提供第一前驱溶液，所述第一前驱溶液包括水、盐酸和钛酸四丁酯；
[0017]将导电衬底浸没于所述第一前驱溶液中进行水热反应，之后经第一退火，得到生长有TiO2金红石相纳米柱的衬底；
[0018]将水、盐酸和三氯化钛溶液混合，得到第二前驱溶液；
[0019]将所述生长有TiO2金红石相纳米柱的衬底浸没于所述第二前驱溶液中进行热处理，冷却后经第二退火，在导电衬底的单面制备得到晶面异质结薄膜。
[0020]优选地，配制所述第一前驱溶液所用盐酸的质量分数为36～38％；配制第一前驱溶液所用水、盐酸和钛酸四丁酯的体积比为(20～35)：(20～40)：(0.5～3)；
[0021]所述水热反应的温度为120～180℃，时间为4～18h；
[0022]所述第一退火在空气氛围中进行，所述第一退火的温度为300～500℃，时间为10～60min。
[0023]优选地，所述第一前驱溶液中还包括醇类溶剂，所述醇类溶剂的体积占第一前驱溶液总体积的0.05～10％。
[0024]优选地，配制所述第二前驱溶液所用盐酸的质量分数为36～38％，三氯化钛溶液的质量分数为15～20％；配制第二前驱溶液所用水、盐酸和三氯化钛溶液的体积比为(30～90)：(0.5～2)：(0.5～2)；
[0025]所述热处理的温度为60～90℃，时间为60～120min；
[0026]所述第二退火在空气氛围中进行，所述第二退火的温度为300～500℃，时间为60～180min。
[0027]本专利技术提供了一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，包括导电衬底、设置在所述导电衬底单面的晶面异质结薄膜以及设置在所述晶面异质结薄膜上的电极；其中，所述晶面异质结薄膜由TiO2金红石相晶面异质结材料形成，所述TiO2金红石相晶面异质结材料包括TiO2金红石相纳米柱和生长在所述TiO2金红石相纳米柱表面的TiO2金红石相纳米片，所述TiO2金红石相纳米柱的(110)晶面和(002)晶面均与TiO2金红石相纳米片的(101)晶面形成晶面异质结结构。本专利技术提供的气敏传感器中TiO2金红石晶面异质结为同质同相异晶面结，利用TiO2金红石相晶面异质结特殊的空间结构和较强的氧负离子吸附性，以此晶面异质结为探测层，所得气敏传感器在室温条件下对H2具有非常高的灵敏度，且长期工作稳定性好，极具市场发展前景。
[0028]本专利技术提供了所述二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器的制备方法，工艺简单，成本低廉。
附图说明
[0029]图1为本专利技术提供的二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器的示意图；
[0030]图2为本专利技术提供的二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器的气敏响应机理示意图；
[0031]图3为对比例1～2制备的生长有TiO2金红石相纳米柱的FTO衬底以及实施例1～5制备的含晶面异质结薄膜FTO衬底的SEM表面形貌图；
[0032]图4为实施例1～4制备的含晶面异质结薄膜FTO衬底的SEM截面形貌图；
[0033]图5为FTO衬底、生长有TiO2金红石相纳米柱的FTO衬底以及实施例1～4制备的含晶面异质结薄膜FTO衬底的X射线衍射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，其特征在于，包括导电衬底、设置在所述导电衬底单面的晶面异质结薄膜以及设置在所述晶面异质结薄膜上的电极；其中，所述晶面异质结薄膜由TiO2金红石相晶面异质结材料形成，所述TiO2金红石相晶面异质结材料包括TiO2金红石相纳米柱和生长在所述TiO2金红石相纳米柱表面的TiO2金红石相纳米片，所述TiO2金红石相纳米柱的(110)晶面和(002)晶面均与TiO2金红石相纳米片的(101)晶面形成晶面异质结结构。2.根据权利要求1所述的二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，其特征在于，所述晶面异质结薄膜的厚度为1～4.5μm。3.根据权利要求1或2所述的二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，其特征在于，所述TiO2金红石相纳米柱的直径为50～240nm，长度为1～4.5μm。4.根据权利要求1或2所述的二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，其特征在于，所述TiO2金红石相纳米片的片径尺寸为20～150nm。5.根据权利要求1所述的二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器，其特征在于，所述导电衬底为FTO衬底或AZO衬底；所述电极为叉指电极。6.权利要求1～5任一项所述二氧化钛金红石相晶面异质结气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在导电衬底的单面制备晶面异质结薄膜，得到含晶面异质结薄膜衬底；其中，所述晶面异质结薄膜由TiO2金红石相晶面异质结材料形成，所述TiO2金红石相晶面异质结材料包括TiO2金红石相纳米柱和生长在所述TiO2金红石相纳米柱表面的TiO2金红石相纳米片；在所述含晶面异质结薄膜衬底的晶面异质结薄膜表面制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍钰文，李新雷，高云，夏晓红，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：