氧化鎢—氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列作為氣敏材料的應用
【專利說明】氧化鎢一氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列作為氣敏材料的應用
[0001]本發(fā)明申請是母案申請“一種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米陣列及其制備方法”的分案申請，母案申請的申請?zhí)枮?014106197649，母案申請的申請日為2014年11月5日。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于功能材料制備領(lǐng)域，更加具體地說，涉及氧化媽/氧化銀異質(zhì)結(jié)納米線陣列在探測二氧化氮中的應用。
【背景技術(shù)】
[0003]進入21世紀，工業(yè)化水平快速發(fā)展，但人類賴以生存的自然環(huán)境與生態(tài)卻遭到嚴重破壞，空氣中存在著大量有毒有害氣體(如N02、N0、H2S、C0、S02等等)。NOx類有毒氣體，能夠形成酸雨腐蝕建筑物和皮膚，也能產(chǎn)生化學煙霧，吸入引發(fā)咳嗽，更甚者造成呼吸道疾病。因此制作高效且準確檢測和預防有毒有害氣體的傳感器刻不容緩。要獲得高性能的納米傳感器，首先就要制備出可以提供這些高性能可能性的納米材料。
[0004]金屬氧化物半導體型氣敏傳感器具有低成本，高靈敏度，易于控制與操作的優(yōu)點，因而受到越來越廣泛的關(guān)注，但目前研究較成熟的氣敏材料金屬氧化物半導體有ZnO、
3]102、1102等，但他們均不能用于高效檢測NOx類氣體。隨著研究深入，1991年Akiyama Μ等報道了 W03陶瓷在300度的環(huán)境下是檢測NOx的高敏感材料。自此，引發(fā)眾多科研工作者對103的研究。W03是一種金屬氧化物半導體，是一種表面電導(電阻)控制型氣敏材料。W03晶體表面的原子性質(zhì)活躍，容易吸附氣體分子，而當氣體分子吸附在晶體表面時，會使其內(nèi)部載流子濃度發(fā)生相應的變化，表現(xiàn)為傳感器的電阻變化。鑒于氧化鎢的活躍原子位于晶體表面因此極大的擴大晶體表面與氣體的接觸面積，能夠有效的改善氣敏性能。一維納米線結(jié)構(gòu)的氧化鎢因其巨大的比表面積吸引了眾多科研工作者的研究。經(jīng)過近幾年的研究已經(jīng)可以通過水熱法、氣相法、溶膠-凝膠等制得。實驗結(jié)果證明，一維納米線結(jié)構(gòu)的氧化鎢確實提高了檢測氣體的靈敏度，但這依然不能達到市場化與集成化應用的要求。為了得到高選擇性、高靈敏度、低工作溫度，高穩(wěn)定性的氣敏傳感器，目前主要通過氣敏材料改性來提尚氣敏性能。
[0005]氣敏材料改性方面，主要途徑有摻雜貴金屬Pt、Au、Pd或過渡金屬氧化物，另外可通過構(gòu)造異質(zhì)結(jié)構(gòu)改性。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)目前主要應用于半導體激光器，發(fā)光器件，太陽電池等科學領(lǐng)域。將異質(zhì)結(jié)應用于氣敏領(lǐng)域形成異質(zhì)結(jié)材料是改善氣敏性能另一個極具潛力的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列在探測二氧化氮中的應用，通過氣相方法制備出形貌良好的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列結(jié)構(gòu)材料，一維納米線陣列巨大的比表面積與其優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能在提高氣敏傳感器的靈敏度與響應速度上具有很重要的研究價值。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0008]—種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列及其制備方法，按照下述步驟進行制備:
[0009]步驟1，利用對靶磁控濺射在基底上沉積鎢薄膜材料層，以金屬鎢作為靶材，以惰性氣體為濺射氣體，濺射工作氣壓為1 一2.0Pa，濺射功率為80-110W，濺射時間為15_20min ；
[0010]優(yōu)選惰性氣體為氬氣、氦氣或者氮氣，濺射工作氣壓為2.0Pa,濺射功率為90-100W，濺射時間為 15-20min ；
[0011]步驟2，在真空高溫管式爐設(shè)備對步驟1制備的鎢薄膜進行結(jié)晶生長氧化鎢納米線，環(huán)境氣氛為氧氣和氬氣的混合氣體，在氧化鎢納米線生長過程中，控制氧氣和氬氣流量分別為0.lsccm和35-50sccm，控制爐內(nèi)生長壓力為140— 160Pa，管式爐從室溫20— 25攝氏度升到600-700°C，升溫速率5°C /min，在600-700°C保溫1一2小時，然后降溫1小時至300-400 °C，最后自然冷卻到室溫20— 25攝氏度；
[0012]優(yōu)選在生長過程中，控制氧氣和氬氣流量分別為0.lsccm和35sccm，控制爐內(nèi)生長壓力為150Pa ;管式爐從室溫20— 25攝氏度升到700°C，升溫速率5°C /min，在700°C保溫1小時，然后降溫1小時至400°C，最后自然冷卻到室溫20— 25攝氏度。
[0013]步驟3，氧化鎢納米線的退火處理，將步驟2制備的氧化鎢納米線在300-500°C且空氣氣氛環(huán)境下退火1-2小時，以進一步穩(wěn)定晶向；
[0014]步驟4，利用對靶磁控濺射經(jīng)過步驟3制備處理的基底的氧化鎢納米線層上沉積釩膜，以金屬釩作為靶材，以惰性氣體作為濺射氣體，惰性氣體流量為30-50SCCm，濺射工作氣壓為2.0Pa，濺射功率為80-110W，濺射時間為2_5min ；
[0015]優(yōu)選惰性氣體為氬氣、氦氣或者氮氣，濺射工作氣壓為2.0Pa,濺射功率為90-100W，濺射時間為2 — 5min ；
[0016]步驟5，進行釩的退火熱處理，將經(jīng)過步驟4處理得到的沉積金屬釩膜的基底在300_500°C且空氣氣氛環(huán)境下退火1一2小時即可；
[0017]優(yōu)選在300_400°C且空氣氣氛環(huán)境下退火1一1.5小時即可。
[0018]在上述技術(shù)方案中，在步驟1中，靶材金屬鎢的質(zhì)量純度為99.999%。
[0019]在上述技術(shù)方案中，在步驟4中，靶材金屬釩的質(zhì)量純度為99.999%。
[0020]在上述技術(shù)方案中，使用的惰性氣體的質(zhì)量純度為99.999%。
[0021 ] 在上述技術(shù)方案中，所述基底為單面拋光硅片，或者氧化鋁陶瓷片。
[0022]使用日立掃描電鏡Hitach1-S4800FESEM和日本電子JEM-2100F場發(fā)射透射電子顯微鏡對氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列進行分析可知，氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列由氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線組成，氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線長度為300—800nm，所述氧化媽納米線的直徑為10_20nm，在所述氧化媽納米線的外圍均勾地包裹氧化釩，所述氧化釩的厚度為20-30nm，氧化鎢和氧化釩形成了同軸核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是最優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)構(gòu)形式，對比混合分散型與疊層型結(jié)構(gòu)，同軸核殼異質(zhì)結(jié)具有最大的有效異質(zhì)結(jié)面積，對發(fā)揮異質(zhì)結(jié)優(yōu)異性具有重要作用。
[0023]本發(fā)明公開了一種氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列在探測二氧化氮中的應用，提供了一種制備W03異質(zhì)結(jié)納米線結(jié)構(gòu)的方法，顯著的提高了材料的比表面積，有效的利用了異質(zhì)結(jié)在性能方面的優(yōu)異性。同時氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線結(jié)構(gòu)也在敏感器件的低功耗、超快響應速度方面具有很重要的研究價值。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，氧化鎢與氧化釩都具有很好的氣敏性能，是優(yōu)異的氣敏半導體材料。利用上述制備的氧化鎢/氧化釩納米線進行氣體實驗，實驗結(jié)果表明上述方法制的的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)構(gòu)的在室溫下對5ppm級別的N02氣體具有的響應靈敏度是單純氧化鎢納米線靈敏度的7-9倍，響應時間小于3s0
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種以低成本的方法采用氣相法制備出一維結(jié)構(gòu)的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線在探測二氧化氮中的應用，與現(xiàn)有的熱蒸發(fā)、電沉積等方法相比具有設(shè)備簡單，操作方便，工藝參數(shù)易于控制，成本低廉等優(yōu)點。并且，形貌結(jié)構(gòu)為一維納米線陣列，具有很高的比表面積，能夠充分發(fā)揮異質(zhì)結(jié)的優(yōu)異性，對將這一材料應用于降低氣敏傳感器的工作溫度、提高傳感器的靈敏度與響應速度方面有很大的研究空間。
【附圖說明】
[0025]圖1是實施例1所制備的氧化鎢納米線的掃描電子顯微鏡照片。
[0026]圖2是實施例1所制備的氧化鎢/氧化釩異質(zhì)結(jié)納米線陣列掃