一种半导体气体传感材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体气体传感材料及其制备方法，包括氧化石墨烯基体与附着在氧化石墨烯基体表面的Cs

【技术实现步骤摘要】
一种半导体气体传感材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，更具体地说，是涉及一种半导体气体传感材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]气体传感器是一种能够检测环境中特定气体浓度的设备，它通过感知气体分子的存在与浓度，将这些信息转换为电信号输出，从而实现对气体成分的测量。气体传感器广泛应用于工业、环境监测、医疗保健等领域，鉴于气体污染的问题，气体传感器广泛用于环保需求，实现对气体的实时监测。
[0003]气体传感器根据反应类型可分为三大类，分别是半导体气体传感器
‑
、接触燃烧式气体传感器与电化学气体传感器。其中，半导体气体传感器具有成本低、精度高、灵敏性强、便携可穿戴、操作简单等诸多优点，在工业生产、家居生活、环境保护、酒驾探测、安全检测等多个领域中有重大作用和需求，是目前应用最为广泛的一类气体传感器。
[0004]现有的半导体气体传感器使用的气体传感材料多为金属氧化物半导体材料，如如SnO2、ZnO、WO3等，但基于金属氧化物半导体的气体传感材料灵敏度较低，无法满足现有应用需求。

技术实现思路

[0005]为了克服现有金属氧化物半导体气体传感材料灵敏度较低的不足，本专利技术提供一种半导体气体传感材料及其制备方法，在掺杂有非金属元素的氧化石墨烯晶体的表面附着不连续的碲，然后包覆一层Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜，构成的气体传感材料扩大了感应气体的范围，对感应气体具有电压变化响应、电阻变化响应及颜色变化响应的效果，实现可视化感应效果，利用碲表面悬挂键以及对Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜的促进作用，提高了对气体感应的灵敏度，以满足现有应用的需求。
[0006]本专利技术技术方案如下所述：
[0007]一种半导体气体传感材料，包括氧化石墨烯基体与附着在氧化石墨烯基体表面的Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜，氧化石墨烯基体掺杂有非金属元素，氧化石墨烯基体与Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜二者的设置界面上含有碲。
[0008]碲元素与Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜对气体的响应情况存在区别，使得二者结合形成的气体传感材料的可检测气体类型增加，扩大气体传感器的可检测范围。
[0009]上述的一种半导体气体传感材料，掺杂于氧化石墨烯基体的非金属元素为氮或硼。
[0010]上述的一种半导体气体传感材料，氧化石墨烯基体中非金属元素的掺杂量为7at％
‑
12at％。
[0011]氧化石墨烯基体的完美六方晶系碳片层结构会受到掺杂原子的入侵，从而导致氧化石墨烯基体自身层状结构与电子云密度受到影响，而经过化学掺杂的氧化石墨烯结构会
延伸出各种各样的特性，为了避免掺杂原子对氧化石墨烯基体的影响，本申请提前向氧化石墨烯基体内部掺杂非金属元素，优选的，非金属元素为氮或硼。由于氮元素、硼元素与碳元素相邻，相对于碳原子而言，富电子与缺电子都会使原子之间会存在电荷极化，氮原子、硼原子相对于碳原子而言，分别为富电子与缺电子结构，故能够使得碳原子电荷极化，从而将氧化石墨烯基体转化成半导体，随着掺杂量越大，半导体性质越明显。在本申请的气体传感材料，氧化石墨烯基体作为传导电子的导体，同时还需要吸附碲元素，并增强与Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜的结合能力，故对于氧化石墨烯基体而言，掺杂一定量非金属元素能够避免其他掺杂原子的影响，同时增加电子云密度，增强对碲元素、Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜的结合能力，但又不能掺杂太多非金属元素，以避免破坏氧化石墨烯基体的结构，形成大范围的具有半导体性质的区域，影响电子的传导，故其非金属的掺杂量具有一定的限制。
[0012]上述的一种半导体气体传感材料，碲与半导体气体传感材料的质量比为2:1000
‑
5:1000。
[0013]上述的一种半导体气体传感材料，碲吸附于氧化石墨烯基体上。
[0014]上述的一种半导体气体传感材料，碲呈不连续分布状态。
[0015]进一步的，存在于气体传感材料的碲的含量为2
‑
5mg/g。
[0016]吸附于氧化石墨烯基体表面的碲含量需要受到限制，不宜过高也不宜过低，以尽可能覆盖氧化石墨烯基体表面的同时避免碲之间相互连接或接触，防止其连成一片。一旦遍布氧化石墨烯基体表面的碲连成一片，碲原子上的悬挂键无法充分暴露，从而降低碲对检测气体的灵敏度，从而影响气体传感材料的灵敏度。
[0017]上述的一种半导体气体传感材料，氧化石墨烯基体与Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜二者的设置界面含有的碲元素为四价碲。
[0018]四价碲相对其他价的碲元素而言稳定性更高，由于其携带价态，使得Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜上的电子发生明显偏移，进一步提高Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜表面的缺陷量，从而提高Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜表面对电子的灵敏度，最终提高气体传感材料对气体的检测灵敏度，加快气体传感器的响应速度。
[0019]上述的一种半导体气体传感材料，Cs
x
Cu
y
X
z
为Cs3Cu2I5、Cs3Cu2Br5、CsCu2I3的一种或多种。
[0020]优选的，Cs
x
Cu
y
X
z
为Cs3Cu2Br5。Cs3Cu2Br
5在
空气中稳定性更好，光学性质良好，相较于含铅等毒性较强的材料，其稳定性更高，毒性小，对环境更为友好。
[0021]上述的一种半导体气体传感材料，Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜的厚度为10
‑
50纳米。
[0022]上述的一种半导体气体传感材料，Cs
x
Cu
y
X
z
的结构为纳米晶结构或纳米管结构。
[0023]优选的，Cs
x
Cu
y
X
z
的结构为纳米晶结构。相较于纳米晶结构，纳米管结构的晶体稳定性较高，导致作为气体传感材料的灵敏度略低，纳米晶结构的灵敏度更高，尤其是颜色响应速度上明显优于纳米管结构。这是由于纳米晶结构的晶体结构在待测气体作用下发生变化，导致Cs
x
Cu...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体气体传感材料及其制备方法，其特征在于，包括氧化石墨烯基体与附着在氧化石墨烯基体表面的Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜，氧化石墨烯基体掺杂有非金属元素，氧化石墨烯基体与Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜二者的设置界面上含有碲。2.根据权利要求1中所述的一种半导体气体传感材料及其制备方法，其特征在于，碲呈不连续分布状态。3.根据权利要求1中所述的一种半导体气体传感材料及其制备方法，其特征在于，氧化石墨烯基体与Cs
x
Cu
y
X
z
二维薄膜二者的设置界面含有的碲元素为四价碲。4.根据权利要求1中所述的一种半导体气体传感材料及其制备方法，其特征在于，Cs
x
Cu
y
X
z
的结构为纳米晶结构或纳米管结构。5.根据权利要求1中所述的一种半导体气体传感材料及其制备方法，其特征在于，氧化石墨烯基体中非金属元素的掺杂量为7at％
‑
12at％。6.根据权利要求1中所述的一种半导体气体传感材料及其制备方法，其特征在于，制备过程包括：步骤S1.准备氧化石墨烯基体；步骤S2.使用掺杂工艺在氧化石墨烯基体掺入非金属元素形成氧化石墨烯基体第一中间体；步骤S3.将氧化石墨烯基...

【专利技术属性】
技术研发人员：卿笃安，张昊，黎年赐，尹金德，卿添，刘光德，李银森，
申请(专利权)人：深圳市诺安智能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：