一種基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性、透明氣體傳感器領域，具體為一種基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器及其制備方法，利用半導體性單壁碳納米管柔性透明薄膜構建高性能柔性氣體傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著智能化、信息化的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代社會的諸多領域(包括環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷和國防軍事等)中，對環(huán)境氣體的實時監(jiān)測變得越來越重要，發(fā)展輕量化、便攜式的實時氣體分析傳感器將會給人類生產(chǎn)生活帶來諸多便捷。目前，金屬氧化物半導體(MOS)傳感器和固態(tài)電解質(SE)傳感器占據(jù)著氣體傳感器的絕大部分市場。但是，二者都需要在較高溫度下工作，消耗功率大、靈敏度低、抗干擾能力較差、不能彎折、使用不便。
[0003]單壁碳納米管具有優(yōu)異的力學性能、手性依賴的導電屬性、彈道輸運特性、優(yōu)異的柔韌性及較低的密度等，其電學性能強烈依賴最外層碳原子，當外層碳原子與氣體分子結合后，碳納米管的電性能就會發(fā)生變化。目前為止，碳納米管傳感器對順3、NO、H2, CO、02、S0#P H2S等氣體表現(xiàn)出了較高的檢測靈敏度(文獻1.Allen, B.L.；Kichambare, P.D.;Star, A.Adv.Mater.，2007，19:1439。 文獻 2.Zhang, T.；Mubeen, S.；Myung, N.；Deshusses, M.Nanotechnology, 2008, 19:332001)?？蒲腥藛T為開發(fā)基于這些敏感性的新型碳納米管環(huán)境監(jiān)測氣體傳感器做了大量的研宄工作(文獻3.Wongwiriyapan, W.；Honda, S.；Konishi, H.；Mizuta, T.；0hmori, Τ.；Kishimoto, Y.；Ito, Τ.；Maekawa, Τ.；Suzuki, K.；Ishikawa, H.；Murakami, T.；Kisoda, K.；Harima, H.；0ura, K.；Katayama, Μ.Nanotechnology, 2006，17:4424。 文獻 4.Valentini, L.；Cantalini, C.；Amentano, 1.；Kenny, J.M.；Lozzi, L.；Santucci, S.J.Vac.Sc1.Technol.B, 2003, 21:1071.)。
[0004]目前，碳納米管傳感器存在的問題是:柔性、透明碳納米管薄膜傳感器的研宄與開發(fā)進展緩慢，且碳納米管傳感器的靈敏度仍有待提高，隨著微電子技術的發(fā)展，開發(fā)小型化、穩(wěn)定耐久、便攜式和低功耗傳感器也迫在眉睫。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器及其制備方法，獲得的氣體傳感器柔性、透明、可彎折，首次實現(xiàn)了單壁碳納米管薄膜氣體傳感器的小型化、穩(wěn)定持久、便攜、低功耗、室溫下使用、高靈敏度等特性，克服已有的氧化物半導體傳感器由于需要加熱而消耗大量能源的問題，有利于節(jié)能減排。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]一種基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器，以半導體性單壁碳納米管作為氣體感應材料，利用浮動催化劑化學氣相沉積法制備并收集半導體性單壁碳納米管薄膜，經(jīng)熱壓轉移或噴涂工藝制備擔載于柔性透明基體上的半導體性單壁碳納米管柔性、透明薄膜，再利用銀膠或電鍍方式連接導線與外部的輸出設備相連接，完成半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器基元的組裝。
[0008]所述的氣體感應材料為半導體性單壁碳納米管，其中半導體性碳納米管根數(shù)含量大于90%。
[0009]所述的半導體性單壁碳納米管直接利用鋁箔收集為薄膜宏觀體，再經(jīng)提純、熱壓轉移至柔性、透明基體上，形成復合膜；或者，所述的半導體性單壁碳納米管直接收集網(wǎng)狀宏觀體，再經(jīng)提純、分散、噴涂在柔性透明基體上，形成復合膜。
[0010]所述的基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器，將所獲得的復合膜通過裁減，于兩端配置石墨電極或電鍍電極，并使用銀膠或電鍍方式連接銅、銀或金導線與外部的輸出設備相連接。
[0011]所述的基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器，該傳感器的透明度通過碳納米管薄膜厚度進行調控，利用透光率來表征其透明度，該傳感器的透光率在99%以下可調。
[0012]所述的基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器，該柔性、透明氣體傳感用于探測極性或非極性氣體分子:氫氣、一氧化碳或氨氣。
[0013]所述的基于半導體性單壁碳納米管的柔性、透明氣體傳感器，該柔性、透明氣體傳感器檢測ppm量級的氣體，檢測速度達到8秒以下。
[0014]本發(fā)明的設計思想是:
[0015]本發(fā)明將浮動催化劑化學氣相沉積法生長的半導體性單壁碳納米管組裝在柔性透明基體上，通過銀膠或電鍍等方式連接導線(銅、銀、金等)將碳納米管傳感部分與外部輸出設備相連接，構建柔性、透明、高性能氣體傳感器。從而，利用半導體性單壁碳納米管對環(huán)境響應的敏感特性，提出以半導體性單壁碳納米管薄膜為氣敏材料，構建柔性、透明、可彎折的高性能氣體傳感器。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是:
[0017]1、本發(fā)明以半導體性單壁碳納米管為氣體感應材料，制備柔性、透明、半導體性單壁碳納米管薄膜，并構建了柔性、透明氣體傳感器，該氣體傳感器具有探測靈敏度高、反應速度快、探測氣體種類多、體積小、功耗低、結構簡單、可批量生產(chǎn)、成本低等諸多優(yōu)點。
[0018]2、本發(fā)明柔性、透明氣體傳感器還具有體積小(可做成厘米見方)、功耗低(只需加?IV電壓)、結構簡單(只需引出導線即可)、可批量生產(chǎn)、成本低等諸多優(yōu)點。
[0019]3、本發(fā)明柔性、透明氣體傳感器可無限次重復使用。
[0020]4、本發(fā)明傳感器可進行360度、無限次彎折、且不影響傳感器性能。
【附圖說明】
[0021]圖1為半導體性單壁碳納米管與普通單壁碳納米管典型樣品的多波長拉曼光譜(激光波長為 532nm(a)、633nm(b)、785nm(c))。圖中，Raman shift (cm-1)為拉曼位移，intensity (a.u.)為強度。
[0022]圖2為浮動催化劑化學氣相沉積法制備單壁碳納米管的裝置圖，圖中，1、加熱體；2、化學氣相沉積反應爐加熱區(qū)；3、催化劑支撐架推桿；4、進氣管；5、進(出)氣口 ；6、催化劑；7、同軸鋁箔放置區(qū)域及碳納米管沉積區(qū)域(爐管壁)；8、碳納米管沉積區(qū)域(過濾網(wǎng))9、爐管。
[0023]圖3為擔載在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上不同膜厚的半導體性單壁碳納米管薄膜；(a)、(c)為干法轉移的透光率分別為55%、90%的薄膜；(b)為噴涂方法制備的透光率為55%的薄膜。
[0024]圖4為透光率為55%的半導體性單壁碳納米管薄膜的掃描電子顯微鏡照片。
[0025]圖5為半導體性單壁碳納米管和PET的復合膜，可以看到其柔性極佳。
[0026]圖6(a)為本發(fā)明傳感器單元結構示意圖，圖6(b)為其截面示意圖。
[0027]圖7為傳感器測試實物圖。
[0028]圖8為55%透光率半導體性單壁碳納米管薄膜的氫氣傳感器傳感性能曲線。圖中，time (S)為時間，response (% )為靈敏度。
【具體實施方式】
[0029]下面通過實施例和附圖進一步詳述本發(fā)明。
[0030]如圖2所示，本發(fā)明浮動催化劑化學氣相沉積法制備單壁碳納米管的裝置主要包括:加熱體1、化學氣相沉積反應爐加熱區(qū)2、催化劑支撐架推桿3、進氣管4、進(出)氣口5、催化劑6、同軸鋁箔放置區(qū)域及碳納米管沉積區(qū)域(爐管壁)7、碳納米管沉積區(qū)域(過濾網(wǎng))8、爐管9等，具體結構如下:
[0031]爐管9穿設于加熱體I中，爐管9位于加熱體I中的部分為化學氣相沉積反應爐加熱區(qū)2，爐管9位于加熱體I 一側的部分為同軸鋁箔放置區(qū)域及碳納米管沉積區(qū)域(爐管壁)7，同軸鋁箔放置區(qū)域及碳納米管沉積區(qū)域(爐管壁)7的外端設置碳納米管沉積區(qū)域(過濾網(wǎng))8，爐管9的兩端分別為進(出)氣口 5，爐管9的一端為進氣口，進氣口安裝進氣管4，爐管