一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器、制备工艺及应用制造技术

本发明专利技术属于电子元器件技术领域，提供了一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器、制备工艺及应用。该基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器由气敏材料和叉指电极板组成，气敏材料涂覆在叉指电极板表面。气敏材料成分为二硫化锡和三硫化二铟复合形成的纳米材料。本方法生产工艺简单，所得气敏材料对氨气表现出较高的灵敏度和快速的响应恢复。由于传统气体传感器的敏感材料多为金属氧化物，其工作温度过高，不仅增加了能量的消耗，也容易使元件性能降低，缩短使用寿命。本发明专利技术能够使气体传感器在室温下工作，这为便携式和可穿戴电子硬件设备的设计和制备提供了新方案。备的设计和制备提供了新方案。备的设计和制备提供了新方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器、制备工艺及应用


[0001]本专利技术属于电子元器件
，具体涉及一种基于SnS2/In2S3氨气气体传感器的制备、检测方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着工业化的快速发展，氮氢化物被广泛地应用于工业生产当中。氨气作为其中较为典型的工业气体，被大范围地用于工业用水杀菌处理过程、油脂及食糖的精炼过程及生物医学等领域。为了避免氨气对大气环境造成的污染和对人们生活健康的危害，在工业生产中对氨气的实时监测就显得尤为必要。因此，生产生活中十分需要一种能够检测大气中氨气浓度的气体传感器。
[0003]目前，在众多形形色色的气体传感器中，基于金属氧化物类型的气体传感器的研究制备技术是最为成熟的，也因其质量可靠、价格便宜而被广泛使用。目前市场上广泛流通的传感器有金属氧化物型气体传感器和固态电解质型气体传感器。两者作为第一代气体传感器引起了高度重视，但其弊端也很突出，这两种传感器的性能受到操作温度和表面反应的显著影响，导致这类传感器难以达到高度敏感的性能。在通常情况下，使用金属氧化物半导体作为敏感材料的气体传感器，其工作温度一般在200
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500℃，需要在传感器元件上安装加热丝，这样不仅增加了能量的消耗，也容易使元件性能降低，缩短使用寿命。同时，过高的工作温度使得制成的气体传感器实用性较低，尤其是应用在便携式、可穿戴的传感器设备上。为了更加实用化，许多研究人员致力于开发具有便携性、耐磨性和可穿戴性的气体传感器系统，使电子硬件具有自然适应的灵活性。因此，探索新型材料以实现在室温下进行快速、准确的气体检测至关重要。
[0004]过渡金属二硫化物(TMDs)中，SnS2材料具有宽带隙、良好的光电性能，优异的传感性能和气体吸附能力，因其气体灵敏度高、响应恢复效果好、工作温度低等特点一直备受关注。但二维金属硫化物在室温下对气体的响应值低，并且存在基线漂移的问题，其气敏性能还有很大的提升空间。考虑到以上不足，选择将SnS2与其他过渡金属硫化物进行复合，得到纳米复合材料以解决单一组分的缺陷。硫化铟是一种n型半导体材料，具有合适的禁带宽度、高化学稳定性和低毒性等诸多优点，在光催化降解染料、太阳能电池、锂离子电池、光电导器件、荧光显示以及医学中的癌症诊断等方面有着广泛的应用前景。由此可以看出，设计和合成二硫化锡与三硫化二铟复合的气敏材料将具有重要的科学和实践意义。然而，就我们所知，三硫化二铟在气敏材料领域的报道还很少。因此在这项研究中，我们通过水热法在花状二硫化锡表面附着三硫化二铟形成异质结结构，并对其微观结构和气敏性能进行了系统研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种选择性好、灵敏度高、稳定性好
且能够在室温下稳定工作的氨气气体传感器及其检测方法，为能够实现可携带式的气体传感设备提供了可能。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器，该氨气气体传感器主要由气敏材料以及叉指电极板组成，所述气敏材料涂覆在所述叉指电极板表面，涂覆厚度为20μm～80μm；所述的气敏材料成分为二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料。
[0008]所述二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料是通过水热法在花状二硫化锡表面附着三硫化二铟构成。
[0009]所述叉指电极板为正面带有纯金电极的氧化铝基板，其叉指对数为3～10对，氧化铝基板厚度为2～5μm。
[0010]所述的氨气气体传感器的工作环境温度为室温，实现材料与硅基微电子相集成。
[0011]一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器的制备工艺，包括以下步骤：
[0012](1)将SnCl4·
5H2O和硫代乙酰胺依次溶解在异丙醇中，控制SnCl4·
5H2O和硫代乙酰胺的摩尔比为1：4～5，剧烈搅拌至完全溶解得到混合溶液；
[0013](2)将In2O3纳米颗粒加入到步骤(1)所得的混合溶液中，控制In2O3和SnCl4·
5H2O的摩尔比为1：2～4，剧烈搅拌至In2O3纳米颗粒完全分散，随后进行超声处理1～2h，得到均匀的悬浊液；
[0014](3)将步骤(2)中所得悬浊液移至内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，在160～200℃温度下，进行水热反应12～24h，再将水热反应后的产物利用离心机进行固液分离，并用去离子水和无水乙醇依次对所得固体产物进行多次洗涤，将所得固体产物放置于干燥箱中，60℃干燥，得到二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料；
[0015](4)将二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料研磨至粉末，再将研磨后的二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料粉末分散到去离子水中，超声处理成8mg/mL～10mg/mL的分散液，再取分散液涂覆到所述叉指电极板表面，放置在干燥箱中60℃干燥4～6h，自然冷却至室温，得到SnS2/In2S3纳米复合材料气体传感器。
[0016]步骤(2)中，超声功率为240W～260W。
[0017]基于SnS2/In2S3纳米复合材料制备气体传感器的工作温度为室温，实现材料与硅基微电子相集成。
[0018]本专利技术的工作原理：
[0019]本专利技术氨气气体传感器为电阻型半导体气体传感器，主要利用半导体接触待测气体时，由于在其表面发生的氧化还原反应引起载流子浓度的变化进而导致半导体的阻值发生变化，并以此反映出该待测气体的类型及浓度。本专利技术氨气气体传感器所用半导体的功函数大于氨气气体分子对半导体中载流子的亲和力，因此半导体表面吸附的待测气体分子将给予半导体自由电子使得半导体中载流子浓度发生变化，从而导致半导体电导率的变化，传感器的实时监测信号是传感器电阻值的变化。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术采用水热法获得一种新型异质结复合纳米材料，原材料获取方便、价格低廉、制备异质结过程简单，是一种设备投资小，工艺流程简单的二维半导体异质结制备方案。
[0022](2)本专利技术复合材料，花状SnS2表面均匀分布In2S3纳米颗粒，具有较大的表面积
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体积比结构。同时二氧化锡与三硫化二铟产生异质结，可以引导电子堆积在表面材料上，强化材料的气敏选择性能，二氧化锡与三硫化二铟之间的电子迁移有助于促进材料表面额外的氧吸附，从而改善室温环境下气敏性能。
[0023](3)本专利技术极大降低了传感器工作所需要的温度，可以在室温下工作，减缓了材料在较高温环境下工作导致的材料老化与损坏。同时，较低的工作温度为可携带式移动设备的设计和制备提供了可能。
附图说明
[0024]图1为本专利技术SnS2/In2S3纳米复合材料扫描电镜微观形貌图。
[0025]图2为本专利技术SnS2/In2S3纳米复合材料气体传感器针对几种常见易挥发性干扰气体与氨气的响应对比图。
[0026]图3为SnS2/In2S3纳米复合材料气敏元件在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器，其特征在于，该氨气气体传感器主要由气敏材料以及叉指电极板组成，所述气敏材料涂覆在所述叉指电极板表面，涂覆厚度为20μm～80μm；所述的气敏材料成分为二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料。2.根据权利要求1所述的氨气气体传感器，其特征在于，所述二硫化锡和三硫化二铟异质结复合纳米材料是通过水热法在花状二硫化锡表面附着三硫化二铟构成。3.根据权利要求1或2所述的氨气气体传感器，其特征在于，所述叉指电极板为正面带有纯金电极的氧化铝基板，其叉指对数为3～10对，氧化铝基板厚度为2～5μm。4.根据权利要求1或2所述的氨气气体传感器，其特征在于，所述的氨气气体传感器的工作环境温度为室温，实现材料与硅基微电子相集成。5.根据权利要求3所述的氨气气体传感器，其特征在于，所述的氨气气体传感器的工作环境温度为室温，实现材料与硅基微电子相集成。6.一种基于SnS2和In2S3异质结的氨气气体传感器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)将SnCl4·
5H2O和硫代乙酰胺依次溶解在异丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：许赫，黄宝玉，李晓干，李新雷，李曦，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：