基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2006年，美國佐治亞理工學(xué)院教授王中林等成功地在納米尺度范圍內(nèi)將機械能轉(zhuǎn)換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機-納米發(fā)電機。納米發(fā)電機的基本原理是:當(dāng)納米線(NWs，例如氧化鋅納米線)在外力下動態(tài)拉伸時，納米線中生成壓電電勢，相應(yīng)瞬變電流在兩端流動以平衡費米能級。
[0003]氧化鋅納米線作為半導(dǎo)體材料，可以應(yīng)用于乙醇傳感器。然后現(xiàn)有乙醇傳感器由于氧化鋅納米線的制備方法，具有靈敏度低、響應(yīng)時間長、制備工藝復(fù)雜等缺陷。
[0004]常規(guī)生長氧化鋅納米線的方法為化學(xué)生長方法，例如水熱法，使氧化鋅納米線在帶有種子層的金屬層基底表面生長。以往，在氧化鋅納米線生長過程中，培養(yǎng)液中產(chǎn)生的氣泡上升到溶液表面且時常被面朝下的基底表面捕獲，抑制了氧化鋅納米線在金屬層基底表面上均勻生長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]常規(guī)生長納米線的方法，例如水熱法，氧化鋅納米線在金屬層基底表面生長取向度較差，比表面積不高。本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器及其制備方法，增加了氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的比表面積，具有靈敏度高，響應(yīng)時間短的特點。
[0006]本發(fā)明乙醇傳感器可以感受因乙醇吸收在氧化鋅表面所造成的電阻下降，乙醇傳感器的響應(yīng)度與環(huán)境里增加的乙醇?xì)怏w濃度呈近似線性變化。
[0007]本發(fā)明采用靜電紡絲法-煅燒在叉指電極上生成氧化鋅納米膜，該氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構(gòu)成?；蛘?，優(yōu)選的進(jìn)一步以每根氧化鋅納米線為軸生長氧化鋅納米柱以形成氧化鋅納米柱陣列，該氧化鋅納米柱是在(001)面優(yōu)勢取向的六角柱。由于合成的氧化鋅納米柱(六角柱)的寬高比較高，可以增加氧化鋅納米柱陣列單位體積里的比表面積。
[0008]由于氧化鋅納米膜跨越在叉指電極之上，而叉指電極的兩對電極之間不導(dǎo)通，因此當(dāng)氧化鋅納米線表面吸附乙醇時，則氧化鋅表面多數(shù)載流子(電子)濃度增加，電阻減小。產(chǎn)生的電阻變化可以通過外部電路測量。本發(fā)明乙醇傳感器，靈敏度高、響應(yīng)時間快，制備工藝簡單。
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的第一技術(shù)方案是:一種基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，包括形成叉指電極的兩組電極，以及設(shè)置在叉指電極至少一側(cè)表面的氧化鋅納米膜；
[0010]所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構(gòu)成；
[0011]所述叉指電極的兩組電極不導(dǎo)通，形成所述乙醇傳感器的信號輸出端。
[0012]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構(gòu)成。
[0013]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米線中摻雜有二氧化錫。
[0014]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜由煅燒靜電紡絲獲得的聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜制成。
[0015]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜由煅燒靜電紡絲獲得的聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜制成。
[0016]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述鋅鹽包括醋酸鋅、硝酸鋅、草酸鋅及它們的水合物；所述聚乙烯類聚合物包括聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP ;所述錫鹽包括氯化錫、醋酸錫、硝酸錫或草酸錫。
[0017]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米線的直徑為200_300nmo
[0018]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述氧化鋅納米膜的厚度為500nm_lμ m。
[0019]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，以每根構(gòu)成氧化鋅納米膜的氧化鋅納米線為軸進(jìn)一步生長有氧化鋅納米柱，構(gòu)成氧化鋅納米柱陣列，形成帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜，所述氧化鋅納米柱是(001)面優(yōu)勢取向的六角柱。
[0020]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述六角柱橫截面最大長度為200-300nm,六角柱高度為2-3 μ m。
[0021]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器,所述帶有氧化鋅納米柱的氧化鋅納米膜的厚度為5-8 μ m。
[0022]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，每立方微米氧化鋅納米膜平均由2-3根氧化鋅納米線構(gòu)成，氧化鋅納米柱彼此交纏。
[0023]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述叉指電極由在基板上沉積或涂布金、銦錫金屬氧化物、銀、銅或鋁形成。
[0024]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器，所述基板是硅、玻璃或有機玻璃。
[0025]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的第二技術(shù)方案是:一種基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，該方法包括:
[0026]( I)配制氧化鋅納米膜用靜電紡絲液
[0027]將聚乙烯類聚合物加入到溶劑中，待聚乙烯類聚合物溶解后，向液體中加入鋅鹽，然后混合均勻得到靜電紡絲液；其中，聚乙烯類聚合物與鋅鹽的重量比為1-5:0.5-3 ；
[0028](2)靜電紡絲
[0029]將步驟(I)所得靜電紡絲液加入到靜電紡絲裝置中，然后將靜電紡絲液注射到形成叉指電極的兩組電極的至少一側(cè)表面上進(jìn)行靜電紡絲，在叉指電極的至少一側(cè)表面上獲得聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜；以及
[0030](3)煅燒
[0031]將步驟(2)所得聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜連同叉指電極一起進(jìn)行煅燒，煅燒條件為:按照2-10°C/min的升溫速率升溫至500-600°C，恒溫煅燒1-6小時；然后冷卻到室溫，得到氧化鋅納米膜，所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線構(gòu)成。
[0032]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，步驟(2)中，該方法還包括得到紡絲纖維有序排列的聚乙烯類聚合物-鋅鹽纖維膜。
[0033]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，靜電紡絲之前，將叉指電極放置在載體的容置腔中；其中，該載體包括第一載體底材，設(shè)置在第一載體底材一側(cè)表面的第二載體底材和第三載體底材，第二載體底材和第三載體底材平行并間隔設(shè)置，在第二載體底材上設(shè)有第一金屬條，在第三載體底材上設(shè)有第二金屬條，第一金屬條與第二金屬條平行設(shè)置；第二載體底材和第一金屬條，與第三載體底材和第二金屬條之間形成容置腔。
[0034]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，所述第一金屬條和第二金屬條所用材質(zhì)是鋁箔、銅箔、鋁片或銅片；所述第一載體底材、第二載體底材和第三載體底材所用材質(zhì)是絕緣材料。
[0035]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，所述氧化鋅納米膜由六邊纖鋅礦晶相的氧化鋅納米線平行構(gòu)成。
[0036]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法,步驟(I)中,所述鋅鹽包括醋酸鋅、硝酸鋅、草酸鋅及它們的水合物；所述溶劑包括甲基甲酰胺DMF，乙醇ethanol或四氫呋喃THF ;所述聚乙烯類聚合物包括聚乙烯醇PVA或聚乙烯吡咯烷酮PVP。
[0037]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，在靜電紡絲液中添加錫鹽，然后在步驟(2)，在叉指電極的至少一側(cè)表面上獲得聚乙烯類聚合物-鋅鹽-錫鹽纖維膜；其中所述錫鹽包括氯化錫、醋酸錫、硝酸錫或草酸錫。
[0038]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，步驟(2)中，在電壓為10kV-20kV，接收距離為8cm-20cm，推動速度0.lml/hr-lml/hr條件下，將靜電紡絲液注射到叉指電極上進(jìn)行靜電紡絲。
[0039]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，紡絲時間為30秒到10分鐘。
[0040]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，步驟(3)中，所述氧化鋅納米線的直徑為200nm-300nm。
[0041]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，所述氧化鋅納米膜的厚度為 500nm_lμ m。
[0042]前述的基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的乙醇傳感器的制備方法，該方法還包括:(4)生長氧化鋅納米柱陣列
[0043]以步驟(3)