CN109060890B - 一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法 - Google Patents

一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法，先配制CoTiO3前驱体溶液和氧化石墨烯的乙醇悬浮液，然后采用浸渍‑提拉法在Si基片表面镀CoTiO3前驱体薄膜，再在CoTiO3前驱体薄膜上镀GO膜层，然后在CoTiO3前驱体/GO薄膜上镀CoTiO3膜层，最后煅烧，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。所得薄膜在低于100℃工作条件下，对乙醇气体表现出较高的灵敏性和选择性。

Description

一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种在较低工作温度下对乙醇气体敏感薄膜的制备方法，具体涉及一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法。
背景技术
半导体气敏薄膜具有灵敏度高，响应迅速，稳定性好，轻便、易于集成等显著优点，复合高新技术对传感器结构精巧化、便携化的要求。但是大多数半导体型气敏材料的工作温度都高于200℃，这导致传感器中必须添加加热装置，这样不但增加了能耗，使传感器结构更复杂，而且影响信号的长期稳定性，更重要的是在检测易燃易爆气体时可能存在安全隐患。
石墨烯是一种在低温下保持导电性优异的材料，将石墨烯与半导体材料复合可以显著降低工作温度，与此同时，复合材料中载流子的分离和传导效率有效提升，有利于敏感性能的提升。目前大多数的半导体-石墨烯敏感材料属于粉体型，但是工作温度仍普遍高于100℃。由于粉体型敏感材料需要烧结，所制成的传感器体积偏大，而且这种传感器比表面积比薄膜型小，在响应速度、响应程度和选择性等方面都不尽如人意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法，该方法能够有效地调控薄膜的层间结构，成膜性好，操作方便，生产周期短，效率高，可控性强，所制得的薄膜在低于100℃下表现出优异的乙醇敏感特性，且选择性强、响应恢复快。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种具有三明治夹心结构敏感薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后滴加钛酸异丁酯，搅拌均匀，调节pH值为2.0～6.0，得到混合溶液，将混合溶液在20～80℃下反应30～150min，得到CoTiO3前驱体溶液；
2)将氧化石墨烯均匀分散在无水乙醇中，超声后得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液，
3)采用浸渍-提拉法在Si基片表面镀多层膜，获得CoTiO3前驱体薄膜；
4)在CoTiO3前驱体薄膜上镀一层或多层GO膜层，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜；
5)在CoTiO3前驱体/GO薄膜上镀多层CoTiO3前驱体膜层，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜；
6)将CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜煅烧，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中采用冰醋酸调节pH值为2.0～6.0。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，混合溶液中Co2+浓度为0.1～0.2mol/L，Ti4+浓度为0.05～0.4mol/L。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，超声的功率为100W，超声的时间为10～30min。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，氧化石墨烯的乙醇悬浮液中氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL。
本发明进一步的改进在于，步骤3)、步骤4)和步骤5)中，提拉的速率为0.5mm/s～5mm/s。
本发明进一步的改进在于，步骤3)、步骤4)和步骤5)中，干燥的温度为20～80℃，干燥的时间为1min～10min。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体过程为：先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液中，然后匀速提拉，干燥，形成一层薄膜，重复浸渍于CoTiO3前驱体溶液中，然后匀速提拉，干燥的过程至薄膜层数为2～20层，获得CoTiO3前驱体薄膜；
步骤4)的具体过程为：将CoTiO3前驱体薄膜浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液中，然后匀速提拉，重复浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液中，然后匀速提拉的过程至GO层数为1～10层，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜；
步骤5)的具体过程为：将CoTiO3前驱体/GO薄膜浸渍在CoTiO3前驱体溶液中，然后匀速提拉，干燥，形成一层薄膜，重复浸渍于CoTiO3前驱体溶液中，然后匀速提拉，干燥的过程至薄膜层数为2～10层，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中煅烧是在管式炉中进行的。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中，煅烧是在Ar气氛下进行的，并且煅烧的温度为500～800℃，时间为1～4h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明首先分别配制钛酸钴前驱体溶胶和氧化石墨烯悬浮液，采用浸渍-提拉法逐层、交替涂膜，随后高温热还原，得到具有三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜，具有表面活性强，异质界面大，传导性能优异等特点。经试验证明，该方法制得的薄膜在工作温度低于100℃的条件下，对乙醇气体具有较高的灵敏度和选择性，且响应恢复时间短。另外，该方法能够有效地调控薄膜的层间界面和结构特征，成膜性好，且操作方便，生产周期短，效率高。
附图说明
图1为本发明实施例2制得的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜的XRD图；
图2为本发明实施例2制得的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜的Raman图谱；
图3为本发明实施例2制得的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜在室温下对乙醇的气敏响应图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为2.0～6.0，得到混合溶液，所得混合溶液中Co2+浓度为0.1～0.2mol/L，Ti4+浓度为0.05～0.4mol/L。将混合溶液在20～80℃水浴中反应30～150min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理10～30min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为0.5～2mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间为1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s～5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20～80℃，干燥时间为1min～10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在2～20层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s～5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20～80℃，干燥时间为1min～10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在1～10层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间为1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s～5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20～80℃，干燥时间1min～10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在2～10层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下500～800℃高温热还原反应1～4h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
实施例1
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为2.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.1mol/L，Ti4+浓度为0.05mol/L。混合溶液在50℃水浴中反应30min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理10min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为0.5mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为30℃，干燥时间5min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在2层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为1mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为30℃，干燥时间2min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在5层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为30℃，干燥时间5min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在2层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下800℃高温热还原反应1h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
采用气敏测试仪检测本实施例制得的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜在不同工作温度下对乙醇气体的敏感特性。结果是该复合薄膜在室温下对100ppm乙醇气体的灵敏度为1.05。
实施例2
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为4.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.1mol/L，Ti4+浓度为0.1mol/L。混合溶液在40℃水浴中反应60min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理10min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为1mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为1mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为40℃，干燥时间10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在5层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为30℃，干燥时间10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在2层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间为1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为1mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为40℃，干燥时间10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在5层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下700℃高温热还原反应2h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
采用气敏测试仪检测本实施例制得的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜在不同工作温度下对乙醇气体的敏感特性。
图1和图2证明实施例2所制备的薄膜中含有CoTiO3和rGO两种组分。
如图3所示，经试验证明，本发明实施例2制得的CoTiO3/rGO/CoTiO3薄膜在室温下对100ppm乙醇气体的灵敏度明显优于单纯CoTiO3薄膜。
实施例3
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为5.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.2mol/L，Ti4+浓度为0.2mol/L。混合溶液在60℃水浴中反应50min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理20min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为1.5mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20℃，干燥时间2min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在20层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为1mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20℃，干燥时间2min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在5层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为60℃，干燥时间2min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在10层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下600℃高温热还原反应3h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
实施例4
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为6.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.15mol/L，Ti4+浓度为0.2mol/L。混合溶液在50℃水浴中反应150min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理30min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为2mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为4mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为50℃，干燥时间为4min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在15层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间为1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为4mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为50℃，干燥时间为4min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在10层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在溶液A中，浸渍时间为1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为4mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为50℃，干燥时间为4min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在10层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下650℃高温热还原反应4h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
实施例5
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为3.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.1mol/L，Ti4+浓度为0.4mol/L。混合溶液在80℃水浴中反应100min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理15min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为1mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为2mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20℃，干燥时间10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在10层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为60℃，干燥时间1min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在1层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为2mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为20℃，干燥时间10min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在2层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下500℃高温热还原反应4h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
实施例6
1)配制溶胶：将氯化钴溶解于无水乙醇中，随后缓慢滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为6.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.2mol/L，Ti4+浓度为0.3mol/L。混合溶液在20℃水浴中反应80min，得到CoTiO3前驱体溶液A。
2)将氧化石墨烯(GO)均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理25min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为2mg/mL；
3)采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为3mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为80℃，干燥时间1min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在12层为宜，获得CoTiO3前驱体薄膜C。
4)在钛酸钴前驱体薄膜基础上镀GO膜层。将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为2mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为80℃，干燥时间7min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在8层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D。
5)在薄膜D基础上镀CoTiO3膜层。将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为3mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为80℃，干燥时间1min。根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层在8层为宜，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E。
6)将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下550℃高温热还原反应4h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
本发明的薄膜型气敏材料具有三明治层状结构，具有表面活性强，异质界面大，传导性能优异等特点，适于在低于100℃的较低温度下工作，解决现有传感器需高温加热的相关应用性问题。

Claims (1)

1.一种具有三明治夹心结构乙醇敏感薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将氯化钴溶解于无水乙醇中，滴加钛酸异丁酯，磁力搅拌均匀，用冰醋酸调节pH值为4.0，得到混合溶液，将所得混合溶液中Co2+浓度为0.1mol/L，Ti4+浓度为0.1mol/L,混合溶液在40℃水浴中反应60min，得到CoTiO3前驱体溶液A；
2）将氧化石墨烯均匀分散在无水乙醇中，100W超声波预处理10min，得到氧化石墨烯的乙醇悬浮液B，其中，氧化石墨烯在乙醇中的浓度为1 mg/mL；
3）采用浸渍-提拉法在清洁的Si基片表面镀膜，先将Si基片浸渍于CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为1mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为40℃，干燥时间10min；根据膜层厚度的需要，反复浸渍-提拉镀膜，膜层为5层，获得CoTiO3前驱体薄膜C；
4）将薄膜C浸渍在氧化石墨烯的乙醇悬浮液B中，浸渍时间1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为0.5mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为30℃，干燥时间10min；反复浸渍-提拉镀膜，膜层为2层，获得CoTiO3前驱体/GO薄膜D；
5）将薄膜D再次浸渍在CoTiO3前驱体溶液A中，浸渍时间为1min，然后匀速提拉，控制提拉速率为1mm/s，随后薄膜在烘箱中干燥，控制干燥温度为40℃，干燥时间10min；反复浸渍-提拉镀膜，膜层为5层，获得CoTiO3前驱体/GO/CoTiO3前驱体薄膜E；
6）将薄膜E至于管式炉中，Ar气氛下700℃高温热还原反应2h，得到三明治结构的CoTiO3/rGO/CoTiO3敏感薄膜。
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