CN110026325B - 一种单晶颗粒薄膜及其气体传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体材料与器件技术领域，更具体地，涉及一种单晶颗粒薄膜及其气体传感器的制备方法，包括选取钼玻璃作为衬底，选取单晶颗粒在去离子水中搅拌分散，待单晶颗粒沉淀后，缓缓抽干容器中的去离子水，取出钼玻璃片烘干，得到单晶颗粒薄膜。采用该单晶颗粒薄膜制备气体传感器，将制备好的单晶颗粒薄膜在真空中进行第一次退火，利用液相法在单晶颗粒薄膜制备ZnO薄膜层，将制备了ZnO层的CZTS薄膜在真空中进行第二次退火，利用银浆在ZnO层上制备电极，得到气体传感器。工艺简单、操作方便、成本低廉，所制备的气体传感器对气体展现出气敏性能。

Description

一种单晶颗粒薄膜及其气体传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料与器件技术领域，更具体地，涉及一种单晶颗粒薄膜及其气体传感器的制备方法。
背景技术
用液化石油气(LPG)作燃料，由于其热值高、无烟尘、无炭渣，操作使用方便，已广泛地进入人们的生活领域，其主要成分是丙烷、丁烷以及其他的烷烃等。然而，由于设备老化泄露和使用者误操作造成的液化气爆炸事件时有发生，给人们的生命和财产安全带来了巨大的损失。泄露有时是无法避免的，但是泄漏后如果能进行快速有效的检测，从而采取合理的处理措施，则可以减少或者避免爆炸事故的发生。对于易燃易爆气体泄露的检测，最快捷的方法是采用相应的气体传感器和被测气体接触，通过相应的物理、化学反应变成电信号从而产生报警信号。
目前，用于LPG检测的异质结气体传感器多为金属氧化物/硫化物和有机聚合物(如PANI)复合的异质结传感器。虽然该类型传感器在室温条件下展现出很高的灵敏度，然而其本身结构而导致较长的响应时间限制了它们的使用，而且PANI是高度吸湿材料，器件长期稳定性较差。此外，现有技术中制作单晶颗粒薄膜多用涂覆法，无法得到高均匀性的单晶颗粒薄膜。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种单晶颗粒薄膜及其气体传感器的制备方法，克服现有技术中因单晶颗粒在成膜过程中无法均匀成膜而影响单晶颗粒薄膜的性能问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种单晶颗粒薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S101：选取导电玻璃作为衬底；
S102：选取单晶颗粒在去离子水中搅拌分散；
S103：待单晶颗粒沉淀后，抽干容器中的去离子水，取出导电玻璃片烘干，得到单晶颗粒薄膜。
其中，所述的单晶颗粒为铜锌锡硫(CZTS)单晶颗粒，其是十分稳定的p型半导体材料，用CZTS材料来替代有机PANI，能够保持长期稳定。
进一步的，在步骤S101中，所述的导电玻璃两端用胶布包裹用于制备电极，具体地，所采用的导电玻璃为钼玻璃，相对于使用其他导电玻璃，钼玻璃衬底接触电阻小，通常太阳能电池均选其作为的背电极材料，其它导电玻璃亦可，但会影响其转换效率。
在步骤S102中，抽水速度为50～300ml/min，抽水速度过快容易将单晶颗粒抽出。
进一步的，所述的胶布宽度为2～5mm。
进一步的，在步骤S102中，所述的单晶颗粒的粒径范围为0.1μm～5μm，有利于单晶颗粒沉积得到多孔结构、分层明显的薄膜。
进一步的，在步骤S102中，所述的单晶颗粒与去离子水的比例为1g/100ml～15g/100ml。
进一步的，在步骤S102中采用磁力搅拌器搅拌效果更好，可以使单晶体颗粒分散效果更加均匀。
上述任一种方法制备得到单晶颗粒薄膜。
一种气体传感器，含有上述的单晶颗粒薄膜。
一种气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
S201：将制备好的单晶颗粒薄膜在真空中进行第一次退火；
S202：利用液相法在单晶颗粒薄膜制备ZnO薄膜层；
S203：将制备了ZnO层的CZTS薄膜在真空中进行第二次退火；
S204：利用银浆在ZnO层上制备电极，得到气体传感器。
进一步的，在步骤S201中，第一次退火温度为400℃～550℃，退火时间为2h～4h，在步骤S203中，第二次退火温度为100℃～200℃，退火时间为0.5h～3h。
进一步的，在步骤S203中，所述的ZnO层厚度为150nm～400nm。
与现有技术相比，有益效果是：
1、现有技术利用涂覆法难以控制单晶颗粒的分量，因而无法制备多孔结构、分层明显的单晶颗粒薄膜，本单晶颗粒薄膜的制备方法能够成功获得多孔结构、分层明显的单晶颗粒薄膜；
2、区别于现有的单晶颗粒薄膜制备方法，本发明单晶颗粒的制备过程和单晶颗粒薄膜的制备过程是分开的，可以有效控制单晶颗粒的质量，通过真空退火降低薄膜的缺陷和界面杂质对器件性能的影响；
3、本发明中的气体传感器采用具有多孔、分层明显的结构的单晶颗粒薄膜制成，因此有利于气体在薄膜内传输，增大气体与薄膜的接触面积，从而使气体传感器响应良好。
附图说明
图1是本发明在一个实施例中单晶颗粒薄膜的制备示意图；
图2是本发明中钼玻璃衬底的结构示意图；
图3是本发明在一个实施例中单晶颗粒薄膜的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1所示，一种单晶颗粒薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S101：选取钼玻璃作为衬底；
S102：选取单晶颗粒在去离子水中搅拌分散；
S103：待单晶颗粒沉淀后，抽干容器中的去离子水，取出导电玻璃片烘干，得到单晶颗粒薄膜。
其中，所述的单晶颗粒为铜锌锡硫(CZTS)单晶颗粒，其是十分稳定的p型半导体材料，用CZTS材料来替代有机PANI，能够保持长期稳定。
进一步的，在步骤S101中，如图2所示，所述的钼玻璃两端用胶布包裹用于制备电极，钼玻璃相对于使用其他导电玻璃，钼玻璃衬底接触电阻小，通常太阳能电池均选其作为的背电极材料，其它导电玻璃亦可，但会影响其转换效率。
进一步的，所述的胶布宽度为2～5mm。
进一步的，在步骤S102中，抽水速度为50～300ml/min，抽水速度过快容易将单晶颗粒抽出。
进一步的，在步骤S102中，所述的单晶颗粒的粒径范围为0.1μm～5μm，有利于单晶颗粒沉积得到多孔结构、分层明显的薄膜。
进一步的，在步骤S102中，所述的单晶颗粒与去离子水的比例为1g/100ml～15g/100ml。
进一步的，在步骤S102中采用磁力搅拌器搅拌效果更好，可以使单晶体颗粒分散效果更加均匀。
利用上述任一种方法制备得到单晶颗粒薄膜。
具体地，该单晶颗粒薄膜的制备方法如下，如图1所示，将两端包裹了胶布的钼玻璃衬底3置于置物架4上固定，选取单晶颗粒置于容器1中，加入去离子水2并用磁力搅拌器5使单晶颗粒均匀分散在去离子水2中；
如图3所示，关掉磁力搅拌器，使单晶颗粒6自由沉积在钼玻璃衬底3上，缓缓抽干容器内去离子水，取出沉积了单晶颗粒的钼玻璃衬底3，烘干，得到单晶颗粒薄膜；
一种气体传感器，包含有上述的单晶颗粒薄膜，具体地，该气体传感器的制备方法为：将制备好的单晶颗粒薄膜在真空中进行第一次退火，得到p-CZTS单晶颗粒薄膜，利用液相法在p-CZTS单晶颗粒薄膜上制备n-ZnO，然后将薄膜在真空中进行第二次退火，之后在ZnO上用银浆制备电极，得到Mo/p-CZTS/n-Zno/Ag异质结气体传感器。
其中，第一次退火温度为400℃～550℃，退火时间为2h～4h，在步骤S203中，第二次退火温度为100℃～200℃，退火时间为0.5h～3h，ZnO层厚度为150nm～400nm。
对比例1：
实验方法同实施例1，唯一不同的是称取0.01g的CZTS单晶颗粒，结果表明：单晶颗粒在钼玻璃衬底上形成一个个的小岛，无法沉积成连续的CZTS单晶颗粒薄膜。
对比例2：
实验方法同实施例1，唯一不同的是采用粒径为200μm单晶颗粒，结果表明：由于单晶颗粒尺寸单一，粒径过大，单晶颗粒在钼玻璃衬底上无法沉积成连续的、表面均匀性好的薄膜。
对比例3：
实验方法同实施例1，唯一不同的是不采用进行搅拌分散单晶颗粒，结果表明：单晶颗粒在钼玻璃衬底上形成大量的团簇体，无法得到连续的、表面均匀性好的单晶颗粒薄膜。
实施例2：
利用实施例1制备得到的单晶颗粒薄膜，在真空中500℃退火2h，得到p-CZTS单晶颗粒薄膜，再通过液相法在p-CZTS单晶颗粒薄膜上制备300nm厚的n-ZnO，然后在真空中120℃退火1h，利用银浆在n-ZnO上制备电极，得到Mo/p-CZTS/n-ZnO/Ag结构的传感器，实验结果表明，该气体传感器在1500ppm的液化石油气展现出良好的响应，恢复时间为90s。
对比例4：
实验方法同实施例2，唯一不同的是在单晶颗粒薄膜上制备20nm厚的n-ZnO薄膜，结果表明：所制备的器件无法形成有效的pn结，因而无法制备出有效的单晶颗粒薄膜气体传感器。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种气体传感器，其特征在于，含单晶颗粒薄膜，所述单晶颗粒薄膜的制备方法包括以下步骤：
S101：选取导电玻璃作为衬底；
S102：选取粒径范围为0.1μm～5μm的单晶颗粒在去离子水中搅拌分散，单晶颗粒与去离子水的比例为1g/100ml～15g/100ml；
S103：待单晶颗粒沉淀后，抽干容器中的去离子水，抽水速度为50～300ml/min，取出导电玻璃片烘干，得到单晶颗粒薄膜；
所述气体传感器的制备方法包括以下步骤：
S201：将制备好的单晶颗粒薄膜在真空中进行第一次退火，退火温度为400℃～550℃，退火时间为2h～4h；
S202：利用液相法在单晶颗粒薄膜制备ZnO薄膜层；
S203：将制备了ZnO层的薄膜在真空中进行第二次退火，退火温度为100℃～200℃，退火时间为0.5h～3h；
S204：利用银浆在ZnO层上制备电极，得到气体传感器。
2.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，在步骤S101中，所述的导电玻璃为钼玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，在步骤S203中，ZnO层厚度为150nm～400nm。
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