一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器制造技术

本发明专利技术提供一种气体传感器，包括：以镍酸钐薄膜材料为衬底，所述衬底上镀有铂电极。本发明专利技术进一步提供一种气体传感器的制备方法及在甲烷传感中的应用。本发明专利技术提供的一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，采用的镍酸钐薄膜材料具有金属

【技术实现步骤摘要】
一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器


[0001]本专利技术属于气体传感领域，涉及一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，具体涉及一种基于具有电子强关联性质的镍酸钐(SmNiO3，SNO)薄膜材料的甲烷传感器。

技术介绍

[0002]天然气的使用在家庭生活必不可少，给生活带来了极大的便利。天然气的主要成分为甲烷，甲烷作为最简单的碳氢化合物，是一种很重要的工业原料。甲烷虽然没有毒性，但是在空气中的含量达到一定比例后会使人窒息，并且与空气混合形成高度易燃物，对人类的生命以及财产安全造成威胁。同时甲烷也是第二大温室气体成分，对全球气温的改变仅次于二氧化碳。在100年的时间尺度上，甲烷对全球变暖的影响大约是二氧化碳的28倍，在20年的尺度上则是二氧化碳的80多倍。并且自工业革命以来，由于化石燃料的开采会使得原本蕴藏于地下的甲烷释放到大气环境中，甲烷在大气中的浓度增加了一倍多，大约20％的全球气候变暖可归因于甲烷。因此，对甲烷的泄露进行检测对于保障公众的生命，财产安全以及对环境的保护至关重要。
[0003]目前，半导体金属氧化物气体传感器因为其低成本，低能耗和易制作等特点而受到广泛关注。过去几十年以来，已经开发出了许多气敏材料，比如WO3，SnO2和NiO等材料。然而半导体金属氧化物材料对气体的敏感机制主要是来自于对其材料近表面的空间电荷层的调控，因为其空间电荷层的厚度很小，通常在几个纳米的尺度内，所以基于半导体金属氧化物材料的传感器的灵敏度往往较低。制备具有高比表面积的纳米结构或者异质结的传感器可以提高探测性能，但是通常灵敏度依然较低。为了弥补半导体金属氧化物气体传感器的缺点，寻求一种高性能的气体传感材料至关重要。
[0004]近年来，具有金属
‑
绝缘体相变特性的材料引起了人们的广泛关注。当外界环境发生变化时，具有金属
‑
绝缘体相变(MIT)性质的材料通常会发生较大的物理性质(如电、光、磁等)变化。镍酸钐(SmNiO3，SNO)是镍酸盐家族(RNiO3，其中R代表镧系元素)中的强相关氧化物之一，近年来备受关注。由于Ni在SNO中具有的独特的电子结构Ni
3+ t
2g6
e
g1
，很容易获得一个电子变为强相关的结构Ni
2+ t
2g6
e
g2
，从而发生金属
‑
绝缘体相变。这是由于e
g
中的轨道在获得一个额外的电子后，由于电子
‑
电子间强烈的库伦排斥作用，会引起莫特相变，从而产生很大的带隙，通常是3个电子伏特左右。因此，SmNiO3材料在甲烷传感方面具有很重要的潜在价值。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，弥补现有的半导体金属氧化物材料在气体传感上灵敏度上的不足。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术第一方面提供一种气体传感器，包括：以镍酸钐薄膜材料为衬底，所述衬底上镀有铂电极。
[0007]本专利技术第二方面提供一种气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)以镍酸钐薄膜材料为衬底，所述镍酸钐薄膜材料选自未加工的镍酸钐薄膜材料或加工后的镍酸钐薄膜材料；
[0009]2)采用磁控溅射法以铂材料为靶材在衬底上进行溅射后镀上铂电极，以提供气体传感器，所述气体传感器选自第一气体传感器或第二气体传感器，所述第一气体传感器的衬底为未加工的镍酸钐薄膜材料，所述第二气体传感器的衬底为加工后的镍酸钐薄膜材料。
[0010]本专利技术第三方面提供一种气体传感器在甲烷传感中的用途。
[0011]如上所述，本专利技术提供的一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，采用磁控溅射法，通过调控磁控溅射腔室内的压强、Ar与O2的比例以及溅射功率等，在LaAlO3(001)衬底上外延生长出了SmNiO3薄膜，再在SmNiO3薄膜上镀上铂电极，制备出甲烷传感器。具有以下有益效果：
[0012](1)本专利技术提供的一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，所用材料具有钙钛矿结构，化学式为SmNiO3，SmNiO3为强关联氧化物材料，具有独特的电子结构，Ni
3+ t
2g6
e
g1
，可以获得一个电子变为Ni
2+ t
2g6
e
g2
。电子
‑
电子间强烈的库仑排斥作用会引起能带的莫特
‑
哈伯特分裂，从而产生很大的能隙，发生金属
‑
绝缘体相变，具有金属
‑
绝缘体相变性质。其在甲烷下能发生3个数量级以上的相变，对甲烷具有非常高的灵敏度。
[0013](2)本专利技术提供的一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，所用铂电极作为催化剂催化甲烷裂解产生氢原子，并随后在Pt
‑
SmNiO3‑
CH4三相界面处分裂成氢离子和电子，进入SmNiO3晶格中形成绝缘的H
‑
SmNiO3。
[0014](3)本专利技术提供的一种基于镍酸钐薄膜材料的甲烷传感器，对甲烷传感具有高灵敏度，在特定温度范围中，如210℃时对100％CH4的灵敏度高达2602.7，同时也具有较好的可重复性和稳定性。在甲烷气体传感领域具有重要的潜在的应用价值。
附图说明
[0015]图1显示为本专利技术中SmNiO3薄膜材料的X射线衍射(XRD)图和X射线反射(XRR)图，其中，图1a为X射线衍射(XRD)图，图1b为X射线反射(XRR)图。
[0016]图2显示为本专利技术中SmNiO3甲烷传感器的示意图，其中，SNO为SmNiO3薄膜材料，LAO为LaAlO3(001)衬底，Pt为铂电极。
[0017]图3为本专利技术中SmNiO3甲烷传感器在不同甲烷浓度中退火后的电阻率变化图。
[0018]图4为本专利技术中SmNiO3甲烷传感器在100％CH4，不同温度下的电阻率随时间的变化曲线图，其中，图4a为在210℃下的电阻率随时间的变化曲线图，图4b为在300℃下的电阻率随时间的变化曲线图。
[0019]图5为本专利技术中SmNiO3甲烷传感器在100％CH4下的灵敏度和响应时间在不同温度下的比较图。
[0020]图6为本专利技术中SmNiO3甲烷传感器在315℃，不同甲烷浓度下的电阻率随时间的变化曲线图。
[0021]图7为本专利技术中SmNiO3甲烷传感器在100％CH4，不同温度及薄膜宽度下的电阻率随时间的变化曲线图，其中，图7a为在210℃、300μm下的电阻率随时间的变化曲线图，图7b为在200℃、5μm下的电阻率随时间的变化曲线图，图7c为在315℃、5μm下的电阻率随时间的变
化曲线图。
[0022]图8为本专利技术中不同薄膜宽度的SmNiO3甲烷传感器的响应时间和灵敏度的柱状图。
具体实施方式
[0023]本专利技术第一方面提供一种气体传感器，包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器，其特征在于，包括：以镍酸钐薄膜材料为衬底，所述衬底上镀有铂电极。2.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，所述镍酸钐薄膜材料采用磁控溅射法以SmNiO3陶瓷为靶材在LaAlO3衬底上进行溅射镀膜后获得。3.根据权利要求2所述的一种气体传感器，其特征在于，所述磁控溅射法在磁控溅射腔室内进行，包括以下步骤：步骤S1，通过在磁控溅射腔室内先抽真空，再通入第一反应气体调整至启辉压强且加热，并设置溅射电源功率开始启辉；步骤S2，然后调整腔室压强至工作压强后，通入第二反应气体调节反应气体的比例，进行溅射镀膜，冷却，以提供镍酸钐薄膜材料。4.根据权利要求3所述的一种气体传感器，其特征在于，所述磁控溅射法包括以下条件中任一项或多项：A1)步骤S1中，所述磁控溅射腔室的真空压强抽至≤6.0
×
10
‑
7Torr；A2)步骤S1中，所述第一反应气体为高纯氩气，纯度≥99.99％；A3)步骤S1中，所述启辉压强为≥15mTorr；A4)步骤S1中，所述加热温度为≥550℃；A5)步骤S1中，所述溅射电源为射频电源，所述溅射电源的功率为50
±
1W；A6)步骤S2中，所述工作压强为4
‑
6mTorr；A7)步骤S2中，所述第二反应气体为高纯氧气，纯度≥99.99％；A8)步骤S2中，所述调节反应气体的比例时，所述第二反应气体与第一反应气体的体积比为1:0.95
‑
1.05；A9)步骤S2中，所述镀膜的时间为2
‑
4小时；A10)步骤S2中，所述冷却至室温。5.根据权利要求1
‑
4任一所述的一种气体传感器的制备方法，包括以下步骤：1)以镍酸钐薄膜材料为衬底，所述镍酸钐薄膜材料选自未加工的...

【专利技术属性】
技术研发人员：管晓飞，唐奇娟，王星元，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：