CN101701927A - 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途 - Google Patents
碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101701927A CN101701927A CN200910035779A CN200910035779A CN101701927A CN 101701927 A CN101701927 A CN 101701927A CN 200910035779 A CN200910035779 A CN 200910035779A CN 200910035779 A CN200910035779 A CN 200910035779A CN 101701927 A CN101701927 A CN 101701927A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon nanotube
- carbon nano
- nano pipe
- pipe array
- nanotube array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 92
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 44
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 5
- 125000001997 phenyl group Chemical class [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 claims abstract 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims description 23
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229910021591 Copper(I) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M copper(I) chloride Chemical compound [Cu]Cl OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 3
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 claims description 3
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 229910021404 metallic carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 abstract description 16
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 abstract 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 abstract 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 abstract 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 150000001555 benzenes Chemical class 0.000 description 10
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N Ethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1 YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 241000894007 species Species 0.000 description 4
- 101150003085 Pdcl gene Proteins 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 2
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- RWGFKTVRMDUZSP-UHFFFAOYSA-N cumene Chemical compound CC(C)C1=CC=CC=C1 RWGFKTVRMDUZSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000005623 Carcinogenesis Diseases 0.000 description 1
- 206010010774 Constipation Diseases 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000031320 Teratogenesis Diseases 0.000 description 1
- 238000003916 acid precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 230000036952 cancer formation Effects 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000504 carcinogenesis Toxicity 0.000 description 1
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 210000002249 digestive system Anatomy 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000002607 hemopoietic effect Effects 0.000 description 1
- 210000000987 immune system Anatomy 0.000 description 1
- 239000003317 industrial substance Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000007737 ion beam deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000032839 leukemia Diseases 0.000 description 1
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000002703 mutagenesis Methods 0.000 description 1
- 231100000350 mutagenesis Toxicity 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000006250 one-dimensional material Substances 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 1
- 231100001234 toxic pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- -1 ultrasonic mixing Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
本发明揭示了一种碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途，先利用化学气相沉积或交流电泳的方法在衬底上制成金属性和半导体性混合的定向单壁碳纳米管阵列；继而采用过载电流烧毁碳纳米管阵列中的金属性碳纳米管并采用金属纳米颗粒修饰所得到的半导体性碳纳米管阵列；最后在金属纳米颗粒修饰后的碳纳米管阵列表面光刻或金属膜沉积交叉指电极。该传感器完全是半导体碳纳米管阵列结构，具有实现室温环境下场效应的性能，能够提高器件对各种有机分子的识别和选择性，可用于对室内外或太空中NO、NO2及苯系物有机污染气体的灵敏探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米传感器及其用途，其制法过程包括制备定向单壁碳纳米管阵列，纳米颗粒修饰及微加工，能够实现对氮氧化物(NOX)污染物、苯系等有机物检测的目的，属于碳纳米管技术领域。
背景技术
氮氧化物(NOX)污染物，主要指一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)，氮氧化物可刺激肺部，致肺部构造改变，影响呼吸系统功能。另外，氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸，是酸雨的原因之一。城市大气中的氮氧化物大多来自于燃料燃烧，如汽车、工业炉等。苯系物(BTEX)包括苯、甲苯、乙苯、(邻、间、对)二甲苯、异丙苯、苯乙烯8种化合物，是一类具有挥发性的有机化合物(VOCs)。苯系物对环境和人体健康的危害引起极大关注，其中苯、甲苯、乙苯、是美国环保署(US EPA)制定的大气有毒污染物中列出的优先控制污染物。苯系物已经证实对人体具有毒性和致癌作用，可以通过呼吸、消化系统和皮肤进入人体，危害人体免疫系统、造血系统、中枢神经系统和基因遗传，是导致白血病和“致癌”“致畸”“致突变”的重要空气污染物。苯系物的主要来源是汽车尾气排放、化工原料的加工和使用，石油、汽油燃烧等。
传统的挥发性气体检测方法多采用气相色谱仪(GC)和气相色谱-质谱(GC-MS)。但这些方法还纯在一些不足和缺陷，如需要对大量的样品预处理，检测过程必须在集中大型分析仪器的室内进行，无法用于现场检测，具有费用高、处理量有限、检测时间长等缺陷，对于适应环境及市场产品的现场抽查、生产企业自查及产品进出口快速通关的要求难以满足。
纳米技术已经成为21世纪里最为重要的科学技术，在物理、化学、机械、电子、能源等各个领域引起了人们广泛的关注，在纳米世界的众多材料中，碳纳米管占据着重要的地位。单壁碳纳米管，作为一种具有代表性的一维材料，它有丰富的力学、电学、光学、热学等性质，近年来一直受到热烈的关注。单壁碳纳米管具有大的比表面积、高载流子迁移率的输运性能，是作为高灵敏度传感器的重要候选材料。1999年，J.Kong等人第一个报道了单根碳纳米管作为化学传感器探测NH3、NO2，揭示了半导体碳纳米管具有场效应可敏感的探测一些特殊的分子，并且利用碳纳米管场效应可以有选择性的探测NH3、NO2等。2003年，美国NASA的J.Li等人用交叉指式的电极上随机滴涂上碳纳米管薄膜，实现了稳定性非常好的碳纳米管化学传感器件，用Pd纳米颗粒修饰的网络状碳纳米管实现了对苯、甲苯等有机污染物的灵敏探测，并在太空中实验取得了成功，器件能经受住温度和压力的变化和发射时的巨大振动，具有很好的稳定性。
然而，上述碳纳米管场效应作为传感器还存在一些需要解决的问题。只有半导体型碳纳米管对探测物敏感并具有场效应。对于随机分布的网络状碳纳米管薄膜，由于含有金属管的成分，如果薄膜过厚，通常在室温下不具有场效应，失去了对探测物的场效应选择性。为提高灵敏度和增加选择性，完全由半导体碳纳米管组成的器件是实现室温场效应传感器的最理想选择。定向组装纳米管体系含有的大量碳纳米管，可以得到均一和稳定的纳米组装体系电子器件。而且，由于碳纳米管的数量大接触电阻已经不占主导，起作用的是体系的体电阻。定向组装体系还具有单个碳纳米管器件所不具有的独特性质，定向组装体系由于增加通道宽度能够大大增加碳纳米管场效应性能，组装体系增加表面积改善对外界环境的敏感程度，定向组装体系被认为是一种可大尺度组装甚至集成为系统的可行方法。
作为半导体器件，必须去除金属管，而保留半导体管，形成定向排列的半导体型单壁碳纳米管阵列，实现和提高碳纳米管场效应器件的整体性能，如增加跨导、增益等。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种碳纳米管阵列有机污染物传感器，以及定向碳纳米管的场效应在纳米传感器探测有机污染物中的应用，为实现制作简单、便携、低成本、低功耗的有机污染物传感器。
本发明的第一个目的，将通过以下技术方案来实现：
碳纳米管阵列有机污染物传感器，其特征在于，该传感器按照以下步骤依序制备而成：I、利用化学气相沉积或交流电泳的方法在衬底上将碳源制成金属性和半导体性混合的定向单壁碳纳米管阵列；II、采用过载电流烧毁步骤I中碳纳米管阵列中的金属性碳纳米管；III、采用金属纳米颗粒修饰步骤II中所得的半导体性碳纳米管阵列；IV、在金属纳米颗粒修饰后的碳纳米管阵列表面光刻或金属膜沉积交叉指电极。
进一步地，上述碳纳米管阵列有机污染物传感器，步骤I中碳源包括甲醇、乙醇、乙炔和甲烷中的一种或两种以上混合物；步骤I中利用化学气相沉积制备定向单壁碳纳米管阵列的方法中采用的催化剂为Ni2SO4、FeCl3或CuCl2的水溶液。
进一步地，上述碳纳米管阵列有机污染物传感器，步骤III中尺寸介于2nm～20nm的金属纳米颗粒修饰半导体性碳纳米管阵列的方法包括回流并H2还原法、电化学沉积法及物理气相沉积法。
进一步地，上述碳纳米管阵列有机污染物传感器，步骤IV中所述交叉指电极指宽介于2μm～10μm，间距5μm～50μm。
本发明的第二个目的，将通过以下技术方案来实现：
碳纳米管阵列有机污染物传感器的用途，其特征在于：将该传感器用于对室内外或太空中NO、NO2及苯系物有机污染气体的灵敏探测。并且该有机污染气体的灵敏探测，采用对衬底加热或紫外灯照射方式进行气体吸附和脱附。
本发明碳纳米管阵列有机污染物传感器的有益效果是：
该传感器是衬底上完全的半导体碳纳米管阵列结构，具有实现室温环境下场效应的性能，能够提高器件对各种有机分子的识别和选择性，能够提供对室内外或太空中NO、NO2及苯系物有机污染物的灵敏而便携的应急监测。
附图说明
图1是本发明采用Pd纳米颗粒修饰的定向碳纳米管场效应苯系物化学传感器的示意图；
图2a为采用化学气相沉积方法生长的水平定向碳纳米管阵列；
图2b为采用交流电泳的方法制作的水平定向碳纳米管阵列；
图3a为水平定向碳纳米管阵列的原子力显微镜(AFM)图片；
图3b为Pd纳米颗粒修饰碳纳米管扫描电子显微镜(SEM)图片；
图4a为定向碳纳米管阵列器件的SEM图片；
图4b为定向碳纳米管阵列为导电通道的电流-电压测试曲线；
具体实施方式
本发明提供了一种碳纳米管阵列有机污染物传感器的制法及其在纳米检测传感器上的用途，旨在提高器件对各种有机分子的识别和选择性，提供大气有机污染物的便携应急监测。
从该碳纳米管阵列有机污染物传感器的制作方法及制作过程来看：
首先，利用CVD气相沉积或交流电泳的方法制备定向单壁碳纳米管阵列(所制得的碳纳米管阵列如图2a和图2b所示)；利用CVD生长定向单壁碳纳米管采用的衬底可以分别为硅片、石英或蓝宝石。催化剂可以选择Fe、Cu、Ni的化合物等，当然不同的催化剂具有不同的生长温度，生长基底根据需要而确定。例如：要制备定向碳纳米管阵列，就要准备平面型基底，包括硅片、石英、蓝宝石等。催化剂溶液滴到衬底上，浓度为0.2-3mmol/L。
然后，采用大电流烧断该碳纳米管阵列的全部金属管。碳纳米管可以承受很大的电流密度，超过109A/cm2。烧断金属型碳纳米管将采用施加正的门电压，耗尽空穴型半导体碳纳米管的载流子，然后采用大电流烧断金属管，利用场效应性能检查烧断与否及烧断的彻底情况。
再而，采用金属纳米颗粒修饰定向碳纳米管阵列(如图3a所示)。用于金属纳米颗粒修饰的金属包括Pd、Au、Pt等。如利用Pd纳米颗粒修饰定向碳纳米管阵列(得到的修饰后定向碳纳米管阵列如图3b所示)，在这个过程中，将采用两种实施方案：
1)、采用PdCl2作为原料，将步骤首步骤中制备所得的样品与PdCl2混合，再放到高温炉中，通入氢气还原。
2)、直接采用物理气相沉积的方法在定向碳管的样品上沉积一层Pd纳米颗粒。
最后，使用L-edit软件设计交叉指电极，利用电子束曝光(EBL)，紫外光刻、聚焦离子束沉积(FIB)等微纳加工技术进行器件微加工，并用金属薄膜蒸发、溅射等手段沉积交叉指电极。图示给出的交叉指电极条宽为4μm，间距3μm(如图4a所示)。
上述制法技术方案的优选方案是：
步骤I中利用化学气相沉积制备定向单壁碳纳米管阵列的方法中采用的催化剂为Ni2SO4、FeCl3或CuCl2的水溶液，且所用到的碳源包括甲醇、乙醇、乙炔和甲烷中的一种或两种以上混合物；步骤III中尺寸介于2nm～20nm的金属纳米颗粒修饰半导体性碳纳米管阵列的方法包括回流并H2还原法、电化学沉积法及物理气相沉积法；步骤IV中所述交叉指电极指宽介于2～10μm，间距5～50μm。
由上述制法及其优选方法植被所得的碳纳米管阵列有机污染物传感器，经烧断全部金属管，得到完全的半导体碳纳米管阵列，具有室温环境下实现定向碳纳米管场效应的性能；而且，修饰有金属纳米颗粒后的定向碳纳米管阵列，具有对各种有机分子的选择性识别功能，能够提供该传感器针对大气有机污染物的便携应急监测。
为进一步便于理解本发明传感器的制备方法，以下便结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明如图1所示的定向碳纳米管场效应苯系物化学传感器的制法如下：
本发明的实施方法具体包括以下的步骤
1、利用化学气相沉积(CVD)生长定向高密度碳管
以FeCl3乙醇溶液充当催化剂的前驱体，其浓度为1mmol/L，基底为石英片，首先将清洗干净的基底用电吹风预热，然后将催化剂前躯体溶液涂抹在一端或者图案化成条状，预热的目的是形成均匀的催化剂膜。
把载有基底的石英舟推入石英管的中间位置，在不封闭石英管的条件下用30分钟从室温加热到670℃，并恒温5分钟，目的是去除有机溶和剂形成催化剂的氧化物。
通500sccm的氩气赶走管中残余的空气，同时管式电炉继续升温20分钟。当管内温度到达900℃时，通入120sccm的氢气进行还原15分钟；还原结束后，用200sccm的氢气鼓泡产生的乙醇蒸汽引入反应体系中，进行碳管的生长，生长时间为15分钟；生长结束后在500sccm氩气条件下冷却至室温。
2、Pd纳米颗粒修饰定向组装碳纳米管阵列
首先将生长有定向碳纳米管的样品放入稀盐酸中，浸泡30min，去除催化剂；然后用去离子水清洗，将清洗后的样品放入丙酮中浸泡10分钟，将定量的PdCl2放入丙酮中，超声混合均匀，溶液在373K回流3小时，用氢气在773K还原2小时，最后冷却至室温。或者直接采用电子束蒸发方法，在硅片上沉积一层厚度为5nm的Pd。
3、蒸镀电极并进行测试
采用交叉指电极，该电极指宽为4μm，间距为10μm。对该交叉指电极进行蒸镀，并利用Keithley4200半导体参数测试仪，气敏测试台来完成气体检测。如图4b所示的定向碳纳米管阵列作为导电通道的电流-电压测试曲线可见：在洁净的大气环境下，该定向碳纳米管阵列制成的传感器具有线性的I-V特性，能够作为一个独立的传感器进行有机污染物的检测。当大气环境中存在NO、NO2及苯系物有机污染气体时，该传感器的等效电阻将发生改变，其I-V特性曲线也将发生变化。由此可见，通过定向碳纳米管阵列及其所修饰的金属纳米颗粒制成的传感器，够提高器件对各种有机分子的识别和选择性，结合定向碳纳米管阵列的优良电学性能，能够提供大气有机污染物的便携应急监测。
Claims (7)
1.碳纳米管阵列有机污染物传感器，其特征在于，该传感器按照以下步骤依序制备而成：
I、利用化学气相沉积或交流电泳的方法在衬底上将碳源制成金属性和半导体性混合的定向单壁碳纳米管阵列；
II、采用过载电流烧毁步骤I中碳纳米管阵列中的金属性碳纳米管；
III、采用金属纳米颗粒修饰步骤II中所得的半导体性碳纳米管阵列；
IV、在金属纳米颗粒修饰后的碳纳米管阵列表面光刻或金属膜沉积交叉指电极。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管阵列有机污染物传感器，其特征在于：步骤I中所述碳源包括甲醇、乙醇、乙炔和甲烷中的一种或两种以上混合物。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管阵列有机污染物传感器，其特征在于：步骤I中所述利用化学气相沉积制备定向单壁碳纳米管阵列的方法中采用的催化剂为Ni2SO4、FeCl3或CuCl2的水溶液。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管阵列有机污染物传感器，其特征在于：步骤III中尺寸介于2nm～20nm的金属纳米颗粒修饰半导体性碳纳米管阵列的方法包括回流并H2还原法、电化学沉积法及物理气相沉积法。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管阵列有机污染物传感器，其特征在于：步骤IV中所述交叉指电极指宽介于2μm～10μm，间距5μm～50μm。
6.权利要求1所述碳纳米管阵列有机污染物传感器的用途，其特征在于：将该传感器用于对室内外或太空中NO、NO2及苯系物有机污染气体的灵敏探测。
7.根据权利要求6所述的碳纳米管阵列有机污染物传感器的用途，其特征在于：所述有机污染气体的灵敏探测，采用对衬底加热或紫外灯照射方式进行气体吸附和脱附。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200910035779 CN101701927B (zh) | 2009-10-14 | 2009-10-14 | 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200910035779 CN101701927B (zh) | 2009-10-14 | 2009-10-14 | 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101701927A true CN101701927A (zh) | 2010-05-05 |
| CN101701927B CN101701927B (zh) | 2013-05-01 |
Family
ID=42156847
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200910035779 Expired - Fee Related CN101701927B (zh) | 2009-10-14 | 2009-10-14 | 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101701927B (zh) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102081070A (zh) * | 2011-02-16 | 2011-06-01 | 西安交通大学 | 碳纳米管薄膜三电极乙炔传感器及其浓度测量方法 |
| CN102081067A (zh) * | 2011-02-16 | 2011-06-01 | 西安交通大学 | 碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器及其浓度测量方法 |
| CN103943458A (zh) * | 2014-03-27 | 2014-07-23 | 北京大学 | 一种去除碳纳米管阵列中金属性碳纳米管的方法 |
| WO2016065499A1 (zh) * | 2014-10-29 | 2016-05-06 | 北京大学 | 一种超高密度单壁碳纳米管水平阵列及其可控制备方法 |
| CN106990137A (zh) * | 2017-03-13 | 2017-07-28 | 英吉森安全消防系统（上海）有限公司 | 一种新型热解粒子传感器 |
| CN107110852A (zh) * | 2014-09-18 | 2017-08-29 | 诺基亚技术有限公司 | 用于可控地用电荷载流子填充沟道的装置和方法 |
| CN107683407A (zh) * | 2015-09-18 | 2018-02-09 | 松下电器产业株式会社 | 化学物质浓缩器以及化学物质检测装置 |
| CN110379555A (zh) * | 2018-04-13 | 2019-10-25 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用 |
| CN111389365A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-07-10 | 郑州大学 | 一种碳纳米管/二氧化钛复合薄膜及其制备方法和应用 |
| CN113533454A (zh) * | 2020-07-21 | 2021-10-22 | 艾感科技(广东)有限公司 | 一种基于三维纳米管的气体传感器、制造方法及其应用 |
| CN114235900A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-03-25 | 浙江大学 | 太赫兹器件用碳纳米管取向度测量装置及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1294414C (zh) * | 2005-01-31 | 2007-01-10 | 浙江大学 | 以定向碳纳米管层作为气敏层的气敏传感器的制造方法 |
-
2009
- 2009-10-14 CN CN 200910035779 patent/CN101701927B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102081067A (zh) * | 2011-02-16 | 2011-06-01 | 西安交通大学 | 碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器及其浓度测量方法 |
| CN102081067B (zh) * | 2011-02-16 | 2013-01-02 | 西安交通大学 | 碳纳米管薄膜电离式二氧化氮传感器及其浓度测量方法 |
| CN102081070B (zh) * | 2011-02-16 | 2013-01-02 | 西安交通大学 | 碳纳米管薄膜三电极乙炔传感器及其浓度测量方法 |
| CN102081070A (zh) * | 2011-02-16 | 2011-06-01 | 西安交通大学 | 碳纳米管薄膜三电极乙炔传感器及其浓度测量方法 |
| CN103943458A (zh) * | 2014-03-27 | 2014-07-23 | 北京大学 | 一种去除碳纳米管阵列中金属性碳纳米管的方法 |
| CN107110852A (zh) * | 2014-09-18 | 2017-08-29 | 诺基亚技术有限公司 | 用于可控地用电荷载流子填充沟道的装置和方法 |
| US10705075B2 (en) | 2014-09-18 | 2020-07-07 | Nokia Technologies Oy | Apparatus and method for controllably populating a channel with charge carriers |
| CN107110852B (zh) * | 2014-09-18 | 2019-03-08 | 诺基亚技术有限公司 | 用于可控地用电荷载流子填充沟道的装置和方法 |
| CN105565292B (zh) * | 2014-10-29 | 2018-04-06 | 北京大学 | 一种超高密度单壁碳纳米管水平阵列及其可控制备方法 |
| CN105565292A (zh) * | 2014-10-29 | 2016-05-11 | 北京大学 | 一种超高密度单壁碳纳米管水平阵列及其可控制备方法 |
| WO2016065499A1 (zh) * | 2014-10-29 | 2016-05-06 | 北京大学 | 一种超高密度单壁碳纳米管水平阵列及其可控制备方法 |
| CN107683407A (zh) * | 2015-09-18 | 2018-02-09 | 松下电器产业株式会社 | 化学物质浓缩器以及化学物质检测装置 |
| CN106990137A (zh) * | 2017-03-13 | 2017-07-28 | 英吉森安全消防系统（上海）有限公司 | 一种新型热解粒子传感器 |
| CN110379555A (zh) * | 2018-04-13 | 2019-10-25 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用 |
| CN110379555B (zh) * | 2018-04-13 | 2020-11-27 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种具有大载流和高频特性的信号传输导线及其应用 |
| CN111389365A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-07-10 | 郑州大学 | 一种碳纳米管/二氧化钛复合薄膜及其制备方法和应用 |
| CN111389365B (zh) * | 2020-04-16 | 2022-11-25 | 郑州大学 | 一种碳纳米管/二氧化钛复合薄膜及其制备方法和应用 |
| CN113533454A (zh) * | 2020-07-21 | 2021-10-22 | 艾感科技(广东)有限公司 | 一种基于三维纳米管的气体传感器、制造方法及其应用 |
| CN113533454B (zh) * | 2020-07-21 | 2024-03-19 | 艾感科技(广东)有限公司 | 一种基于三维纳米管的气体传感器、制造方法及其应用 |
| CN114235900A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-03-25 | 浙江大学 | 太赫兹器件用碳纳米管取向度测量装置及方法 |
| CN114235900B (zh) * | 2021-12-22 | 2024-02-27 | 浙江大学 | 太赫兹器件用碳纳米管取向度测量装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101701927B (zh) | 2013-05-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101701927B (zh) | 碳纳米管阵列有机污染物传感器及用途 | |
| CN101788516B (zh) | 交流电泳定向组装碳纳米管阵列传感器件的制作方法 | |
| Afzal et al. | NOx sensors based on semiconducting metal oxide nanostructures: progress and perspectives | |
| Mittal et al. | Carbon nanotube (CNT) gas sensors for emissions from fossil fuel burning | |
| Cortés-Arriagada et al. | Fe-doped graphene nanosheet as an adsorption platform of harmful gas molecules (CO, CO2, SO2 and H2S), and the co-adsorption in O2 environments | |
| Van Hieu et al. | Highly sensitive thin film NH3 gas sensor operating at room temperature based on SnO2/MWCNTs composite | |
| Zhao et al. | A highly sensitive and room temperature CNTs/SnO 2/CuO sensor for H 2 S gas sensing applications | |
| Kauffman et al. | Carbon nanotube gas and vapor sensors | |
| Chang et al. | Study of a WO3 thin film based hydrogen gas sensor decorated with platinum nanoparticles | |
| Zhang et al. | Carbon nanotubes as active components for gas sensors | |
| Yu et al. | Effect of ‘Pt’loading in ZnO–CuO hetero-junction material sensing carbon monoxide at room temperature | |
| Wang et al. | Highly responsive hydrogen gas sensing by partially reduced graphite oxide thin films at room temperature | |
| Goldoni et al. | Sensing gases with carbon nanotubes: a review of the actual situation | |
| Ueda et al. | Development of carbon nanotube-based gas sensors for NOx gas detection working at low temperature | |
| Yang et al. | Emerging and future possible strategies for enhancing 1D inorganic nanomaterials‐based electrical sensors towards explosives vapors detection | |
| Bogue | Nanomaterials for gas sensing: a review of recent research | |
| Liu et al. | Carbon nanotube-based field-effect transistor-type sensor with a sensing gate for ppb-level formaldehyde detection | |
| Bai et al. | One-step CVD growth of ZnO nanorod/SnO2 film heterojunction for NO2 gas sensor | |
| Wang et al. | Functionalized horizontally aligned CNT array and random CNT network for CO2 sensing | |
| Lin et al. | Carbon nanotubes with adsorbed Au for sensing gas | |
| Young et al. | Ammonia gas sensors with Au-decorated carbon nanotubes | |
| Khan et al. | Reliable anatase-titania nanoclusters functionalized GaN sensor devices for UV assisted NO2 gas-sensing in ppb level | |
| Lin et al. | Adsorption sensitivity of Ag-decorated carbon nanotubes toward gas-phase compounds | |
| US20090084163A1 (en) | Ambient-temperature gas sensor | |
| Sakhuja et al. | Noble metal nanoparticle decorated tungsten diselenide nanosheets for ultrasensitive detection of NO2 at room temperature |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU INSTITUTE OF NANO-TECH AND NANO-BIONICS(SIN Free format text: FORMER OWNER: SUZHOU NANO TECHNIQUE + NANO BIONIC RESEARCH INST. Effective date: 20100907 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 215125 NO.398, RUOSHUI ROAD, GAOJIAO DISTRICT, DUSHUHU, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE TO: 215123 NO.398, RUOSHUI ROAD, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20100907 Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu, if waterway No. 398 Applicant after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences Address before: 215125 Jiangsu city of Suzhou province Dushu Lake Industrial Park No. 398 waterway if higher education Applicant before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130501 Termination date: 20181014 |