本发明专利技术公开了一种基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本发明专利技术用化学溶液法制备氧化锡核层纳米片，再结合原子层沉积技术，得到氧化锡/氧化锌核壳结构纳米片，最后采用磁控溅射生长Pt薄膜，实现了MEMS基原位生长。本发明专利技术制备方法具有可重复性强，成品率高，制备效率高，可规模化生产等优点。本发明专利技术构建的气敏纳米材料应用于气体传感时灵敏度大幅提升，具有高选择性，展现了更加优异的气敏性能。本发明专利技术的气敏纳米材料能够对部分微量气体进行检测，并且对硫化氢气体具有优异的选择性，为气体监测领域开发高灵敏度、高稳定性的气体传感器提供了坚实的技术支持。供了坚实的技术支持。供了坚实的技术支持。
【技术实现步骤摘要】
基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用
[0001]本专利技术涉及半导体纳米材料制备
，具体的说，涉及一种Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。
技术介绍
[0002]硫化氢(H2S)是一种无色、剧毒的气体，是大气中的主要污染物之一，通常在煤矿、石油、污水处理厂等工业生产过程中产生。微量的H2S气体会对人体健康造成危害，因此有效、准确地检测环境中的H2S气体具有重要意义。到目前为止，基于不同传感机制的H2S气体传感器已经得到了广泛的研究，如电化学气体传感器、光学气体传感器和化学气体传感器。基于微机电系统(MEMS)结构的化学气体传感器以其低功耗、集成化、小型化和快速响应等优点引起了人们的广泛关注。
[0003]一般来说，ZnO、SnO2、WO3、In2O3等典型的半导体金属氧化物(SMO)材料在MEMS气体传感器中具有良好的检测特性。其中，n型氧化锡(SnO2)由于其独特的光电性能、优越的传感性能、低廉的成本和良好的稳定性，被广泛用于高性能气体传感器。先前的研究表明，SnO2的气体性能与其形貌密切相关，包括纳米棒、纳米片、纳米线和纳米花等形态结构。然而，原始的SnO2气体传感器通常有响应低和选择性差的缺点。因此，通过金属掺杂、与其他半导体金属氧化物构建杂化结构以及设计核壳结构等方法来提高传感性能引起了人们广泛的关注。
技术实现思路
[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料、制备工艺及其应用。本专利技术采用先进的原子层沉积技术，在原子层级精确控制薄膜的厚度并且拥有优异的保形覆盖能力，具有可重复性强，成品率高，制备效率高等优点，同时实现了MEMS基原位生长，为规模化制备Pt颗粒修饰的SnO2‑
ZnO核壳纳米片结构提供了一种全新的思路。本专利技术制备得到的Pt颗粒修饰的SnO2‑
ZnO核壳纳米片，作为气敏材料具有高比表面积、高灵敏度、高选择性和优良稳定性的特点。本专利技术的技术方案具体介绍如下。
[0005]本专利技术提供一种基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料，其为三层结构，包括SnO2纳米片薄膜、ZnO薄膜和Pt薄膜；其中：ZnO薄膜在SnO2纳米片薄膜上方形成氧化锡/氧化锌核壳纳米片，Pt薄膜在氧化锡/氧化锌核壳纳米片上方。
[0006]本专利技术中，Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片中氧化锡的制备首先采用原子层沉积技术进行籽晶层的生长，然后采用合成条件极其简单的水热法生长氧化锡纳米片薄膜，氧化锌壳层的制备采用原子层沉积技术，Pt薄膜的生长采用磁控溅射实现。
[0007]本专利技术还提供上述基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米
材料的制备工艺具体步骤如下：（1）将MEMS器件放入原子层沉积薄膜系统的反应腔中，选择四（二甲氨基）锡TDMASn作为锡源，去离子水作为氧源，采用原子层沉积技术生长SnO2籽晶层；（2）配制SnCl2·
5H2O和CO(NH2)2的混合溶液，混合溶液中SnCl2·
5H2O的浓度为0.03
‑
0.05 mol/L, CO(NH2)2的浓度为0.6
‑
1.0 mol/L；（3）将生长有氧化锡籽晶层的MEMS器件作为衬底和源材料，转移到100 mL高压釜中。将MEMS衬底上的SnO2薄膜面朝下浸入溶液6
‑
10h，反应温度保持在90
‑
100 ℃，反应结束后，取出MEMS器件，在自然条件下晾干；（4）将MEMS器件在马弗炉中退火，退火温度为550
‑
650℃，退火时间为1
‑
3小时，在MEMS衬底上原位形成纯SnO2纳米片；（5）将长有SnO2纳米片的MEMS器件放入原子层沉积薄膜系统的反应腔中，采用原子层沉积技术制备ZnO壳层薄膜，其中选择二乙基锌DEZ作为锌源，去离子水作为氧源，由此得到氧化锡/氧化锌核壳纳米片；（6）将长有SnO2/ZnO纳米片的MEMS器件放入PVD磁控溅射系统的反应腔中，以Pt靶作为靶材，通过磁控溅射技术在SnO2/ZnO核壳纳米片上生长一层Pt薄膜；（7）将上述经磁控溅射的样品放入管式炉中400~800℃的温度下煅烧，煅烧结束后，自然冷却至室温，得到Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料。
[0008]上述步骤（1）中，原子层沉积时，设定反应温度为200℃，设定固态锡源TDMASn的加热温度为45℃；每个循环的生长过程包括0.5 s TDMASn脉冲，10 s N
2 吹扫，0.2 s 去离子水脉冲和10 s N
2 吹扫；应用原子层沉积技术沉积薄膜过程中，SnO2薄膜的生长速率为0.08~0.12 nm/循环。
[0009]上述步骤（4）中，退火程序为：以8~12℃/min的升温速率加热至550
‑
650℃后，继续保温1
‑
3h；制备得到的纯SnO2纳米片的平均长度为180~220 nm，平均厚度为8~12 nm。更优选的，退火温度为600℃，退火时间为2h。上述步骤（5）中，原子层沉积时，反应温度为150 ℃；每个循环的生长过程包括0.2 s的DEZ脉冲，10 s N
2 吹扫，0.2 s 去离子水脉冲和10 s N
2 吹扫；应用原子层沉积技术沉积薄膜过程中，ZnO薄膜的生长速率为0.18~0.22 nm/循环， ZnO壳层薄膜厚度为5
‑
20nm。
[0010]上述步骤（6）中，磁控溅射时，反应温度为300℃；氩气注入腔室之前，真空度不小于1
×
10
‑
5 mTorr，在整个溅射过程中，氩气压力达到并保持在7
×
10
‑
3 mTorr，溅射功率设置为80W，Pt薄膜的厚度为5
‑
15nm。更优选的，上述步骤（7）中，煅烧程序为：以15
‑
25℃/min的升温速率加热至400~800 ℃后，继续保温1
‑
3 h。更优选的，步骤（7）中，煅烧温度为600 ℃，煅烧时间为2h。
[0011]本专利技术还提供一种上述制备工艺制得的基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构气敏纳米材料；其包括MEMS器件，MEMS器件上形成的氧化锡片薄膜，氧化锡片外的氧化锌壳层薄膜，氧化锌壳层外的Pt薄膜。
[0012]进一步的，本专利技术提供一种基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料在选择性检测硫化氢气体方面的应用，硫化氢气体的浓度可以低至1
‑
5ppm。
[0013]和现有技术相比， 本专利技术的有益效果在于：1、构建了基于Pt颗粒修饰的n
‑
n异质结核壳结构，相比于单一氧化锡或氧化锡/氧
化锌核壳结构，其应本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料，其特征在于，其为三层结构，包括SnO2纳米片薄膜、ZnO薄膜和Pt薄膜；其中：ZnO薄膜在SnO2纳米片薄膜上方形成氧化锡/氧化锌核壳纳米片，Pt薄膜在氧化锡/氧化锌核壳纳米片上方。2.如权利要求1所述的气敏纳米材料，其特征在于，SnO2纳米片薄膜通过先原子层沉积技术进行籽晶层的生长然后采用水热法生长的方法制备；ZnO薄膜通过原子层沉积技术制备，Pt薄膜通过磁控溅射技术制备。3.一种如权利要求1所述的基于Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：（1）将MEMS器件放入原子层沉积薄膜系统的反应腔中，选择四（二甲氨基）锡TDMASn作为锡源，去离子水作为氧源，采用原子层沉积技术生长SnO2籽晶层；（2）配制SnCl2·
5H2O和CO(NH2)2的混合溶液，混合溶液中SnCl2·
5H2O的浓度为0.03
‑
0.05 mol/L，CO(NH2)2的浓度为0.6
‑
1.0 mol/L；（3）将生长有氧化锡籽晶层的MEMS器件作为衬底和源材料，转移到100 mL高压釜中；将MEMS衬底上的SnO2薄膜面朝下浸入溶液6
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10h，反应温度保持在90
‑
100 ℃，反应结束后，取出MEMS器件，在自然条件下晾干；（4）将MEMS器件在马弗炉中退火，退火温度为550
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650℃，退火时间为1
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3小时，在MEMS衬底上原位形成纯SnO2纳米片；（5）将长有SnO2纳米片的MEMS器件放入原子层沉积薄膜系统的反应腔中，采用原子层沉积技术制备ZnO壳层薄膜，其中选择二乙基锌DEZ作为锌源，去离子水作为氧源，由此得到氧化锡/氧化锌核壳纳米片；（6）将长有SnO2/ZnO纳米片的MEMS器件放入PVD磁控溅射系统的反应腔中，以Pt靶作为靶材，通过磁控溅射技术在SnO2/ZnO核壳纳米片上生长一层Pt薄膜；（7）将上述经磁控溅射的样品放入管式炉中400~800℃的温度下煅烧，煅烧结束后，自然冷却至室温，得到Pt颗粒修饰的氧化锡/氧化锌核壳纳米片结构的气敏纳米材料。4.如权利要求3所述的制备工艺，...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢红亮，吴雪颜，朱立远，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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