CN106383149B - 基于钙钛矿纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于钙钛矿(CH3NH3PbClxI3‑x)纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法，它是采用化学溶液反应的方法在玻璃衬底上以聚3，4‑乙烯二氧噻吩‑聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)为缓冲层，滴落涂布醋酸铅(PbAc2)薄膜，将退火后的醋酸铅(PbAc2)薄膜置于甲基氯化铵及甲基碘化铵(CH3NH3ClxI1‑x)混合的异丙醇溶液中反应制得钙钛矿纳米片结构阵列。将制得的纳米片阵列退火后，采用热蒸发的方法在其两端蒸镀银电极，即制得钙钛矿湿度传感器。本发明制备方法成本低，工艺简单，稳定性高，响应灵敏，可用于水蒸气等极性气体的探测。

Description

基于钙钛矿纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及湿度传感器件，具体涉及一种钙钛矿纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法。
背景技术
有机无机杂化钙钛矿(CH3NH3PbX3，X＝Cl、Br、I)材料的载流子扩散长度可达微米量级，并且具有长的载流子寿命、很高的载流子迁移率和强烈的宽带隙吸收、低的乌尔巴赫(Urbach)能，表明材料的能级无序性很低，这些优异的光电性能使其在太阳能电池、发光二极管、激光器和探测器等光电转换领域获得了广泛深入的研究。此外，纳米材料由于其新奇的光电物理性质，近年来已获得了人们的持续关注，其中，钙钛矿纳米结构具有更高的稳定性，基于钙钛矿量子点、纳米线和纳米片的发光二极管和激光器取得了快速的突破性进展，表现出了良好的应用前景。因此对于纳米结构钙钛矿材料的生长理论研究和器件制备研究，对钙钛矿材料的应用发展具有重大意义。然而，这些研究大多都集中于碘基和溴基的杂化钙钛矿材料，而对氯基的钙钛矿材料的系统性研究及应用却鲜见报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供了一种基于钙钛矿(CH3NH3PbClxI3-x)纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法，其是通过溶液法和改变碘元素掺杂比例制备了钙钛矿纳米片阵列结构，并在这种纳米片阵列两端蒸镀电极从而将其制作成了湿度传感器件，具有更高的灵敏度，实时的响应速度。
(二)技术方案
本发明提供了一种基于钙钛矿(CH3NH3PbClxI3-x)纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上旋涂缓冲层并退火；
步骤2：在缓冲层上滴落醋酸铅形成醋酸铅薄膜后退火；
步骤3：将醋酸铅薄膜置于甲基氯化铵及甲基碘化铵(CH3NH3ClxI1-x)的混合溶液中反应使之形成钙钛矿纳米片阵列；
其中，步骤1之前还包括对衬底的清洗步骤。
其中，所述缓冲层是聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸。
其中，所述步骤1中，旋涂时间为30～60s，转速为3000rpm。
其中，步骤1中的退火是在150℃退火15min，再在65℃退火15min。
其中，步骤2中的醋酸铅溶液的溶剂是乙二醇甲醚。
其中，步骤3所用的甲基氯化铵及甲基碘化铵溶液CH3NH3ClxI1-x中的x＝0.5。
其中，甲基氯化铵及甲基碘化铵CH3NH3ClxI1-x溶液的溶剂是异丙醇。
其中，步骤3之后还包括退火的步骤。
其中，所述退火步骤之后还包括形成电极的步骤。
其中，所述电极是银电极。
(三)有益效果
本发明提供的钙钛矿(CH3NH3PbClxI3-x)纳米片阵列作为敏感层的湿度传感器件及其制备方法与现有的器件应用和材料制备方法相比所具有的积极效果在于：
(1)本发明创新的选择研究较少且更加稳定的氯基为主的钙钛矿材料，通过溶液法结合碘素掺杂的技术成功的制备了钙钛矿纳米片阵列，并通过引入聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)缓冲层，使醋酸铅(PbAc2)的成膜更加容易，纳米片阵列的制备重复性更好。
(2)溶液法所得到的钙钛矿纳米片阵列具有很大的比表面积，应用于湿度传感器件，对湿度的变化反应很灵敏，获得了很快的响应速度，且响应范围很宽，拓宽了钙钛矿材料的应用领域。
(3)本发明所述的方法不仅成本低，工艺简单，而且制备的钙钛矿纳米片阵列具有很好的结晶性能和均匀的表面形貌。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列的制备过程示意图；
图2是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列的扫描电子显微图像(SEM)；
图3是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列的X射线衍射图(XRD)；
图4是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列湿度传感器的结构示意图；
图5是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列湿度传感器的时间-湿度-电流响应曲线；
图6是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列湿度传感器在不同湿度下的电阻和电阻比。
具体实施方式
本发明为一种基于钙钛矿(CH3NH3PbClxI3-x)纳米片阵列的湿度传感器件及其制备方法，包括衬底，缓冲层，钙钛矿晶粒层，钙钛矿纳米片阵列，电极。其中，衬底之上依次为缓冲层，钙钛矿晶粒层，钙钛矿纳米片阵列，两端为电极。本发明的衬底为玻璃衬底，但不仅限于玻璃衬底；缓冲层为聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)，可由与前驱体铅盐薄膜浸润性好的其他材料代替；钙钛矿纳米片阵列为醋酸铅(PbAc2)薄膜放置在甲基氯化铵及甲基碘化铵(CH3NH3ClxI3-x)的异丙醇溶液中反应生成，最后在钙钛矿纳米片阵列两端镀上电极，不仅限于银，也可由其他金属材料代替。
本发明选择研究较少且更加稳定的氯基为主的钙钛矿材料，通过溶液法结合碘素掺杂的技术成功的制备了钙钛矿纳米片阵列，并通过引入聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)缓冲层，使醋酸铅(PbAc2)的成膜更加容易，纳米片阵列的制备重复性更好。同时，钙钛矿纳米片阵列具有很大的比表面积，对湿度的变化反应很灵敏，且响应范围很宽，拓宽了钙钛矿材料的应用领域。本发明的方法不仅成本低，工艺简单，而且制备的钙钛矿纳米片阵列具有很好的结晶性能和均匀的表面形貌。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的一个实施例的钙钛矿纳米片阵列的制备过程示意图，它是采用化学溶液反应的方法首先在清洗干净的玻璃衬底上以聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)为缓冲层，滴落涂布醋酸铅(PbAc2)薄膜，待溶剂自然挥发后将醋酸铅(PbAc2)薄膜在65℃的温度下退火30min，将退火后的醋酸铅(PbAc2)薄膜放置在甲基氯化铵及甲基碘化铵CH3NH3ClxI3-x的异丙醇溶液中反应8～16h。反应完全后在纯的异丙醇中去除多余的溶质，然后氮气吹走多余的溶剂，即制得纳米片结构阵列。
图2是上述实施例的钙钛矿纳米片阵列的扫描电子显微图像(SEM)。将制得的样品用扫描电镜(SEM)分析表面形貌，其显示了表面形貌图和截面图，可以看到纳米片阵列尺寸均一，棱角清晰，具有非常大的比表面积。
图3是上述实施例的钙钛矿纳米片阵列的X射线衍射图(XRD)。可以看到本发明制得的纳米片阵列为立方结构，衍射峰比较尖锐，说明制得的样品结晶性非常好。
图4是上述实施例的器件结构示意图。将制得的纳米片阵列在70℃温度下退火20min，然后采用热蒸发的方法在制得的纳米片阵列两端蒸镀200nm的银电极，即制得钙钛矿纳米片阵列湿度传感器。如图4所示，其中1是玻璃基底，2是聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)缓冲层，3是钙钛矿晶粒层，4是钙钛矿纳米片阵列敏感层，5是银电极。采用恒温恒湿试验箱(HSB-50L)作为湿度控制器，CHI660E电化学工作站作为器件的时间电流响应等性能测试仪器，对制备的器件进行测试分析(温度都控制在27℃)。
图5是上述实施例的钙钛矿纳米片阵列湿度传感器的时间-湿度-电流响应曲线。如图所示，在电极两端加2伏的外加电压，相对湿度从34％变化到90％，再从90％降下来，其实时的时间电流和时间湿度变化曲线如图5所示。由图5可见电流随湿度的增加而增大，且湿度的变化趋势与电流的变化趋势几乎一样，说明传感器的电流对湿度的变化响应速度非常快，几乎可以达到一个实时的响应判断。
图6是上述实施例的钙钛矿纳米片阵列湿度传感器在不同湿度下的电阻和电阻比。可以看到测试的湿度范围从22％增加到90％，器件的电流呈单调增加的趋势，且电阻四个数量级(104Ω～108Ω)的变化说明器件相对于湿度有非常高的灵敏性，可以与许多金属氧化物湿度传感器相比拟。电阻比定义为R22％/R，其中R是器件在高湿度下的电阻，由图6可以看到在相对湿度从22％变化到70％时，器件电阻变化趋势较缓，而当相对湿度从70％变化到90％时，器件电阻变化趋势较陡，说明器件对湿度的响应有两个不同的过程。由器件的制备及性能测试分析可知钙钛矿纳米片湿度传感器制备工艺简单，电流对外界湿度的变化响应灵敏，适合作为水蒸气等极性气体的探测器件。
从上述实施例可知，本发明是通过溶液法和改变碘元素掺杂比例制备了钙钛矿纳米片阵列结构，并在这种纳米片阵列两端蒸镀电极从而将其制作成了湿度传感器件，具有更高的灵敏度，实时的响应速度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件，其特征在于，包括：
衬底；
缓冲层，置于所述衬底上；
钙钛矿晶粒层，置于所述缓冲层上；
有机无机杂化钙钛矿纳米片阵列，置于所述钙钛矿晶粒层上;
电极，置于所述钙钛矿纳米片阵列两端；其中，
所述缓冲层为聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸，使前驱体醋酸铅薄膜的成膜更加容易，纳米片阵列的制备重复性更好。
2.一种如权利要求1所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，包括如下的步骤：
步骤1：在衬底上旋涂缓冲层并退火，所述缓冲层是聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸；
步骤2：在缓冲层上滴落涂布醋酸铅形成醋酸铅薄膜后退火；
步骤3：将醋酸铅薄膜置于甲基氯化铵及甲基碘化铵CH3NH3ClxI1-x的混合溶液中反应使之形成钙钛矿纳米片结构阵列。
3.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括对衬底的清洗步骤。
4.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，旋涂时间为30~60s，转速为3000rpm。
5.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，步骤1中的退火是在150℃退火15min， 再在65℃退火15min。
6.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，步骤2中的醋酸铅溶液的溶剂是乙二醇甲醚。
7.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，步骤3所用的混合溶液中的x=0.5。
8.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，混合溶液的溶剂是异丙醇。
9.根据权利要求2所述的基于钙钛矿CH3NH3PbClxI3-x纳米片阵列的湿度传感器件的制备方法，其特征在于，步骤3之后还包括退火的步骤。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200407

Termination date: 20200831

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