一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器及其制備方法，屬于微電子機械系統氣體傳感器技術領域，其目的在于提出一種傳感器，通過以金屬氧化物納米粒子作為催化媒介減小石墨烯薄膜對氣體響應時氣體分子電子轉移的化學勢壘，從而增強單一石墨烯薄膜的氣體敏感特性。本發明專利技術基于石墨烯材料優異的氣體敏感特性，在叉指電極上優先沉積一層納米級的金屬氧化物粒子，再沉積石墨烯薄膜層，通過加熱工藝獲得具有氣體敏感增強效應的石墨烯/金屬氧化物復合薄膜。本發明專利技術適用于氣體傳感器，實現對不同氣體高靈敏度和高選擇性探測。

【技術實現步驟摘要】
一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器及其制備方法
本專利技術屬于氣體傳感器和復合納米材料
，涉及一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，尤其涉及一種基于石墨烯、金屬氧化物復合納米敏感材料制作而成的具有支撐及催化效應的氣體傳感器。
技術介紹
隨著人們健康意識的提高，室內空氣污染的問題受到越來越多的關注。近年來，隨著生產和生活方式更加現代化，越來越多的工作、文娛和體育活動都在室內進行，這樣人們平均每天有80%甚至更多的時間在室內度過。因此，室內空氣質量與人體健康的關系就顯得更加密切。化學性污染物是室內污染的主要物質，其一般包括甲醛、一氧化碳、苯系物、氨氣、氡及其子體和懸浮顆粒等。而該類污染物的濃度往往較低，這給檢測帶來了困難。對于化學性污染物的檢測，現在主流的檢測方法有：氣相色譜法、電化學法、紅外光譜法、酚試劑分光光度法等幾種常用的檢測方法。這些檢測方法雖然可以探測到痕量水平的污染氣體，但在檢測過程中存在需要采樣、儀器操作復雜、分析時間長、價格昂貴、耗能較大等缺點。而氣體傳感器作為一種快速有效的分析手段，具有可實時測量、體積小、響應快、價格低、耗能少等優點，運用氣體傳感器為核心器件的遙感監控系統可對環境中的空氣污染物進行實時地監控、管理。鑒于此，亟待研究和發展一種靈敏度較高、選擇性較好、穩定性較好、響應速度較快的氣體傳感器。目前制約氣體傳感器發展的主要原因有：氣體傳感器的靈敏度較低、選擇性較差、功耗大、制備工藝復雜、價格高等因素，而所有這些因素都與氣體傳感器所采用的敏感材料和氣體傳感器的結構有關。可以說，敏感材料與傳感器的結構是新型氣體傳感器乃至新的氣體傳感器技術的基礎與關鍵。石墨烯作為一種新材料，已經受到各行各業研究人員的熱烈追捧。其巨大的比表面積、極高的電導率、極低的本征噪聲以及對電子授受變化極敏感等特性，使其在傳感器領域獲得廣泛關注。然而，研究表明：由于單一的石墨烯材料具有對氣體分子較弱的本征吸附力以及無差別的響應吸附特性，使其在靈敏度和選擇性兩方面受到致命性的制約。因此，現在行業的普遍共識是將石墨烯材料與其他功能性材料進行復合來提高單一石墨烯材料的氣體敏感特性。如申請號為201410166226.9的專利技術專利申請就公開了一種石墨烯基三元復合薄膜氣體傳感器及其制備方法，它由三元復合薄膜和基片構成，三元復合薄膜由石墨烯、金屬或金屬氧化物納米顆粒、導電聚合物復合而成，該申請充分利用了石墨烯和納米顆粒的高比表面積、優異的電學與物理化學特性，以及導電聚合物特異的氣敏響應特性，三元復合使得不同材料間形成增益互補機制，增強了體系的氣體敏感特性和穩定性；同時結合有序性良好的自組裝工藝，可用于制備高靈敏的室溫探測氣體傳感器。然而，由于石墨烯具有熱縮聚效應，即石墨烯在受熱過程中將產生熱縮聚作用，單一的石墨烯基薄膜在受熱過程中沒有支撐結點的支撐而產生收縮甚至發生薄膜分裂，從而減小對氣體的靈敏度，致使氣體傳感器的靈敏度較低。
技術實現思路
本專利技術的專利技術目的在于：針對現有技術存在的問題，提供一種靈敏度較高的石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器及其制備方法。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，包括敏感器件，所述敏感器件上設有納米級金屬氧化物顆粒薄膜，所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜的金屬氧化物顆粒之間存有孔隙；所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜上設有還原氧化石墨烯薄膜，所述還原氧化石墨烯薄膜為氨基化還原氧化石墨烯薄膜、羥基化還原氧化石墨烯薄膜、羧基化還原氧化石墨烯薄膜、氟化還原氧化石墨烯薄膜和疏基化還原氧化石墨烯薄膜中的一種或多種；在還原氧化石墨烯薄膜與納米級金屬氧化物顆粒薄膜的接觸界面上，還原氧化石墨烯薄膜的官能團與納米級金屬氧化物顆粒薄膜的金屬氧化物顆粒鍵合。作為本專利技術的優選方案，所述敏感器件為叉指電極，所述叉指電極為金電極或鋁電極，所述叉指電極的叉指間距為20μm-50μm，所述叉指電極的叉指寬度為20μm-50μm，所述叉指電極的電極厚度為20nm-500nm。作為本專利技術的優選方案，所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜的納米金屬氧化物顆粒包括納米氧化鋅顆粒、納米氧化錫顆粒、納米氧化鎢顆粒、納米氧化鈦顆粒、納米氧化銦顆粒、納米氧化錳顆粒和納米氧化鎳顆粒中的一種或多種。作為本專利技術的優選方案，所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜的納米金屬氧化物顆粒的粒徑小于150nm。一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：步驟一、清洗叉指電極；步驟二、制備氧化石墨烯溶液、納米級金屬氧化物顆粒分散液，且所述氧化石墨烯溶液為氧化石墨烯為氨基化氧化石墨烯、羥基化氧化石墨烯、羧基化氧化石墨烯、氟化氧化石墨烯、疏基化氧化石墨烯中的一種或多種；步驟三、制備納米級金屬氧化物顆粒薄膜，將納米級金屬氧化物顆粒分散液通過旋涂、氣噴或者滴涂工藝沉積到叉指電極上形成納米級金屬氧化物顆粒薄膜；步驟四、制備氧化石墨烯薄膜，將氧化石墨烯溶液通過旋涂、氣噴或者滴涂工藝沉積到叉指電極上，并在納米級金屬氧化物顆粒薄膜上形成氧化石墨烯薄膜；步驟五、在氮氣或氬氣的氣氛下對沉積有納米級金屬氧化物顆粒薄膜和氧化石墨烯薄膜的叉指電極進行加熱處理，氧化石墨烯薄膜受熱并還原成還原氧化石墨烯薄膜。作為本專利技術的優選方案，步驟一中，清洗叉指電極時，依次使用丙酮、乙醇、去離子水對叉指電極進行超聲清洗9min-12min。作為本專利技術的優選方案，步驟二中的納米級金屬氧化物顆粒分散液的濃度為0.01%-5%，所述納米級金屬氧化物顆粒分散液中納米級金屬氧化物顆粒的粒徑小于150nm，所述納米級金屬氧化物顆粒分散液的沸點為100°C，所述納米級金屬氧化物顆粒分散液的密度為0.1mg/ml-5mg/ml。作為本專利技術的優選方案，步驟五中，將沉積有納米級金屬氧化物顆粒薄膜和氧化石墨烯薄膜的叉指電極放入氮氣氣氛爐或者氬氣氣氛爐中，氮氣或氬氣的流量為100mL/min-500mL/min，在加熱溫度為100℃-1500℃的環境下加熱1min-5h，氧化石墨烯薄膜受熱還原成還原氧化石墨烯薄膜。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本專利技術的有益效果是：本專利技術中，在敏感器件上從下往上依次沉積有納米級金屬氧化物顆粒薄膜、還原氧化石墨烯薄膜，敏感器件上的納米級金屬氧化物顆粒薄膜通過氣噴納米級金屬氧化物顆粒分散液沉積而成，因而在納米級金屬氧化物顆粒薄膜的金屬氧化物顆粒之間存有孔隙，便于待測的敏感氣體通過該空隙而進入還原氧化石墨烯薄膜底部，增加待測敏感氣體與石墨烯的接觸面積，充分發揮石墨烯上表面和下表面雙面作用的特點，提高氣體傳感器的靈敏度；由于納米級金屬氧化物顆粒薄膜上設置有還原氧化石墨烯薄膜，納米級金屬氧化物顆粒薄膜上的金屬氧化物顆粒的粒度達到納米級，因而納米級金屬氧化物顆粒薄膜表面將與空氣中的氧氣作用而形成氧離子化學吸附層，并根據金屬氧化物的半導體能力不同而形成不同化學活性的氧離子（O-2、O-、O2-等），且通過加熱可改變不同化學活性的氧離子的濃度，這些氧離子將作為催化媒介降低氣體分子電子遷移的化學勢壘，從而增強石墨烯對待測敏感氣體的敏感響應，提高氣體傳感器的靈敏度；此外，還原氧化石墨烯薄膜是由氨基化氧化石墨烯、羥基化氧化石墨烯、羧基化氧化石墨烯、氟化氧化石墨烯和疏基本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，包括敏感器件（1），其特征在于：所述敏感器件（1）上設有納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2），所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的金屬氧化物顆粒之間存有孔隙（21）；所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）上設有還原氧化石墨烯薄膜（3），所述還原氧化石墨烯薄膜（3）為氨基化還原氧化石墨烯薄膜（3）、羥基化還原氧化石墨烯薄膜（3）、羧基化還原氧化石墨烯薄膜（3）、氟化還原氧化石墨烯薄膜（3）和疏基化還原氧化石墨烯薄膜（3）中的一種或多種；在還原氧化石墨烯薄膜（3）與納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的接觸界面上，還原氧化石墨烯薄膜（3）的官能團與納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的金屬氧化物顆粒鍵合。

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，包括敏感器件（1），其特征在于：所述敏感器件（1）上設有納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2），所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的金屬氧化物顆粒之間存有孔隙（21）；所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）上設有還原氧化石墨烯薄膜（3），所述還原氧化石墨烯薄膜（3）為氨基化還原氧化石墨烯薄膜（3）、羥基化還原氧化石墨烯薄膜（3）、羧基化還原氧化石墨烯薄膜（3）、氟化還原氧化石墨烯薄膜（3）和疏基化還原氧化石墨烯薄膜（3）中的一種或多種；在還原氧化石墨烯薄膜（3）與納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的接觸界面上，還原氧化石墨烯薄膜（3）的官能團與納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的金屬氧化物顆粒鍵合。2.如權利要求1所述的一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，其特征在于：所述敏感器件（1）為叉指電極，所述叉指電極為金電極或鋁電極，所述叉指電極的叉指間距為20μm-50μm，所述叉指電極的叉指寬度為20μm-50μm，所述叉指電極的電極厚度為20nm-500nm。3.如權利要求1所述的一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，其特征在于：所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的納米金屬氧化物顆粒包括納米氧化鋅顆粒、納米氧化錫顆粒、納米氧化鎢顆粒、納米氧化鈦顆粒、納米氧化銦顆粒、納米氧化錳顆粒和納米氧化鎳顆粒中的一種或多種。4.如權利要求3所述的一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器，其特征在于：所述納米級金屬氧化物顆粒薄膜（2）的納米金屬氧化物顆粒的粒徑小于150nm。5.一種石墨烯/金屬氧化物復合膜氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、清洗叉指電極；步驟二、制備氧化石墨烯溶液、納米級金屬氧化物顆粒分散液，且...

【專利技術屬性】
技術研發人員：太惠玲，葉宗標，鄭偉健，劉春華，杜曉松，謝光忠，蔣亞東，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51