CN112255272A - 一种气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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杜炳生
梁承垚
孙霞
郭学政
邝德琳
伍志林
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Abstract

本发明提供了一种气体传感器及其制备方法，其中，所述气体传感器包括叉指电极，所述气体传感器在叉指电极上覆有拓扑绝缘体薄膜；所述叉指电极的叉指宽度为100±5μm，其叉指的间隔距离为80±5μm；所述拓扑绝缘体包括硒化铋，碲化铋和碲化锑；所述覆盖在叉指电极上拓扑绝缘体薄膜的厚度为10μm‑100μm。拓扑绝缘体在其体相中显示出绝缘行为，而其表面上存在稳定的，受拓扑保护的金属态。高的表面导电性在可表现出低的信号噪声，并且能够在室温对气体进行灵敏检测。此外，当拓扑绝缘体被适当的催化金属层覆盖时，拓扑表面可作为一种有效的电子池，增强各种气体分子的吸附。这些性质使拓扑绝缘体在气敏领域表现出巨大的应用潜力。

Description

一种气体传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种气体传感器及其制备方法。
背景技术
随着对有害气体污染物的检测需求的增加，对目标气体的灵敏检测变得越来越重要。特别是，检测工厂废气(例如H2S，氮氧化物和CO2气体)可以有效地保护环境。此外，在呼出气中检测挥发性有机化合物(VOC)(例如丙酮和己醛)可以早期诊断疾病。在过去的几十年中，金属氧化物半导体(MOS)，石墨烯，黑色磷烯和过渡金属硫化物，在气体检测领域取得了巨大的成就。在这些材料体系中，对MOS组成的传感器进行了最为广泛的研究，并且在MOS传感器中提出了许多用于增强气体传感性能和传感机制的最重要策略。MOS传感器的表现出的性能与其内在的表面氧空位有关，氧空位降低了吸附势垒并促进了与表面吸附气体的电荷交换。然而，实现这些性质需要一定的激活能，这致使MOS基气体传感器的工作运转要求高能耗，并且在检测爆炸性气体时会引发安全问题，这阻碍了其大规模应用。其他材料，例如石墨烯，黑磷和MOS等二维材料，由于它们的高比表面积，功能表面和在室温下灵敏检测的能力而引起了广泛的关注。但是，它们存在稳定性差，或者响应信号低的问题，这严重限制了它们的实际应用。这也迫使人们去开发新的敏感材料或者新的传感效应来解决这一问题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明公开了一种气体传感器及其制备方法，以解决现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种气体传感器，包括叉指电极，所述气体传感器在叉指电极上覆有拓扑绝缘体薄膜。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述叉指电极的叉指宽度为100±5μm，其叉指的间隔距离为80±5μm。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述拓扑绝缘体包括硒化铋，碲化铋和碲化锑。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述覆盖在叉指电极上拓扑绝缘体薄膜的厚度为10μm-100μm。
一种制备如上述气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用乙醇和丙酮依次超声清洗叉指电极，然后将其烘干。
2)采用溶剂热法制备低维拓扑绝缘体材料，将其分散到去离子水中，滴涂到叉指电极上。
3)将覆盖有拓扑绝缘体薄膜的叉指电极置于真空干燥箱中进行退火，使敏感材料的拓扑绝缘体和叉指电极形成稳定的欧姆接触。
作为上述技术方案的进一步描述：在步骤1)中，所述清洗时间为5-10min。
作为上述技术方案的进一步描述：在步骤3)中，所述退火温度为30-90℃，所述退火时间为10-15h。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明为气体传感器开发新的敏感材料；
2、本发明有效实现室温下对气体的高响应检测；
3、本发明推动拓扑绝缘体在气敏领域的应用。
附图说明
图1中(a)为叉指电极微结构、(b)为拓扑绝缘体滴涂至叉指电极微结构、(c)为图b的局部放大图；
图2为室温下对100ppm的VOCs气体的响应；
图3为室温下对20ppm的NO2气体的响应；
图4为室温下对35ppm的NO气体的响应；
图5为室温下对20ppm的NH3气体的响应；
图6为室温下对不同浓度的NO2气体的动态响应；
图7为室温下对不同浓度的NO气体的动态响应。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
拓扑绝缘体(TIs)是一类蓬勃发展的层状结构材料，在其体相中显示出绝缘行为，而其表面上存在稳定的，受拓扑保护的金属态。高的表面导电性在可表现出低的信号噪声，并且能够在室温对气体进行灵敏检测。此外，当拓扑绝缘体被适当的催化金属层覆盖时，拓扑表面可作为一种有效的电子池，增强各种气体分子的吸附。这些性质使拓扑绝缘体在气敏领域表现出巨大的应用潜力。
一种气体传感器，包括叉指电极，所述气体传感器在叉指电极上覆有拓扑绝缘体薄膜；
其中，所述叉指电极的叉指宽度为100±5μm，其叉指的间隔距离为80±5μm；
其中，所述拓扑绝缘体包括硒化铋，碲化铋和碲化锑；
其中，所述覆盖在叉指电极上拓扑绝缘体薄膜的厚度为10μm-100μm。
一种制备如上述气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)采用乙醇和丙酮依次超声清洗叉指电极5-10min，然后将其烘干。
2)采用溶剂热法制备低维拓扑绝缘体材料，将其分散到去离子水中，滴涂到叉指电极上。
3)将覆盖有拓扑绝缘体薄膜的叉指电极置于真空干燥箱中进行退火，使敏感材料的拓扑绝缘体和叉指电极形成稳定的欧姆接触；其中，退火温度为30-90℃(优选为60℃)，退火时间为10-15h(优选为12h)。
实施例1
将10mg的硒化铋纳米材料分散到0.5ml的去离子水中，形成20mg/ml的硒化铋悬浊液，然后用移液枪将10-20ml的悬浊液滴涂到60℃的预制叉指电极上，待液体蒸干，置于真空干燥箱中60℃退火12h。如图1(a)所示，叉指电极的结构，叉指的宽度是100μm，叉指之间的间距是80μm，将硒化铋悬浊液转移到预制叉指电极上形成的薄膜如图1(b)和(c)所示,形成一层致密的薄膜，纳米片之间紧密相连，形成连续的导电通道。
实施例2
将覆盖有硒化铋的叉指电极进行有机挥发气体气敏性能测试，在室温条件下，对100ppm的甲醇、乙醇、丙酮和苯进行动态响应和恢复性能测试。其结果如图2所示，硒化铋对这些有机易挥发气体都表现出一定的响应，对乙醇的响应最大，在室温条件下达到1％。
实施例3
将覆盖有硒化铋的叉指电极进行无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对20ppm的二氧化氮进行动态响应和回复性能测试。其结果如图3所示，硒化铋传感器对20ppm二氧化氮气体的响应为24％，且对二氧化氮具有较好的响应稳定性和回复性能。
实施例4
将覆盖有硒化铋的叉指电极进行无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对35ppm的一氧化氮进行动态响应和恢复性能测试。其结果如图4所示，硒化铋传感器对35ppm一氧化氮气体的响应为10％，且对一氧化氮具有较好的响应稳定性和回复性能。
实施例5
将覆盖有硒化铋的叉指电极进行无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对20ppm的氨气进行动态响应和恢复性能测试。其结果如图5所示，硒化铋传感器对20ppm一氧化氮气体的响应为0.6％，且对氨气具有较好的响应稳定性和回复性能。
实施例6
将覆盖有硒化铋的叉指电极进行无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对不同浓度的二氧化氮进行动态响应和恢复性能测试。其结果如图6所示，硒化铋传感器对不同浓度的二氧化氮的响应具有较好的线性关系，且对二氧化氮具有较好的响应稳定性和回复性能，对100ppm的二氧化氮响应达到49％。
实施例7
将覆盖有硒化铋的叉指电极进行无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对不同浓度的一氧化氮进行动态响应和恢复性能测试。其结果如图7所示，硒化铋传感器对不同浓度的一氧化氮的响应具有较好的线性关系，且对一氧化氮具有较好的响应稳定性和回复性能，对140ppm的二氧化氮响应达到18％。
实施例8
将10mg的碲化铋纳米材料分散到0.5ml的去离子水中，形成20mg/ml的碲化铋悬浊液，然后用移液枪将10-20ml的悬浊液滴涂到60℃的预制叉指电极上，待液体蒸干，置于真空干燥箱中60℃退火12h。
实施例9
将覆盖有碲化铋纳米材料的叉指电极进行有机挥发气体和无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对100ppm的甲醇、乙醇、丙酮、苯和20ppm的二氧化氮、氨气进行动态响应和恢复性能测试。碲化铋传感器对这些气体表现出一定的响应。
实施例10
将10mg的碲化锑纳米材料分散到0.5ml的去离子水中，形成20mg/ml的碲化锑悬浊液，然后用移液枪将10-20ml的悬浊液滴涂到60℃的预制叉指电极上，待液体蒸干，置于真空干燥箱中60℃退火12h。
实施例11
将覆盖有碲化锑纳米材料的叉指电极进行有机挥发气体和无机气体气敏性能测试，在室温条件下，对100ppm的甲醇、乙醇、丙酮、苯和20ppm的二氧化氮、氨气进行动态响应和恢复性能测试。碲化锑传感器对这些气体表现出一定的响应。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体传感器，包括叉指电极，其特征在于，所述气体传感器在叉指电极上覆有拓扑绝缘体薄膜。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述叉指电极的叉指宽度为100±5μm，其叉指的间隔距离为80±5μm。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述拓扑绝缘体包括硒化铋，碲化铋和碲化锑。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述覆盖在叉指电极上拓扑绝缘体薄膜的厚度为10μm-100μm。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用乙醇和丙酮依次超声清洗叉指电极，然后将其烘干。
2)采用溶剂热法制备低维拓扑绝缘体材料，将其分散到去离子水中，滴涂到叉指电极上。
3)将覆盖有拓扑绝缘体薄膜的叉指电极置于真空干燥箱中进行退火，使敏感材料的拓扑绝缘体和叉指电极形成稳定的欧姆接触。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述清洗时间为5-10min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，所述退火温度为30-90℃，所述退火时间为10-15h。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092544A (zh) * 2021-04-08 2021-07-09 青岛大学 级次结构氧化铋材料在气体检测中的应用
CN116818846A (zh) * 2023-06-21 2023-09-29 深圳市诺安智能股份有限公司 一种半导体气体传感材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999006825A1 (en) * 1997-07-31 1999-02-11 Nanomaterials Research Corporation Low-cost multilaminate sensors
US20180224391A1 (en) * 2015-07-31 2018-08-09 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Erica Campus Multi-Layer Ceramic/Metal Type Gas Sensor And Manufacturing Method Of The Same
CN108473802A (zh) * 2015-10-07 2018-08-31 剑桥企业有限公司 层状材料及其加工方法
CN108844652A (zh) * 2018-04-28 2018-11-20 北京机械设备研究所 Mems气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法
CN111077190A (zh) * 2020-01-06 2020-04-28 苏州大学 电阻式薄膜二氧化氮传感器及其制备方法与应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999006825A1 (en) * 1997-07-31 1999-02-11 Nanomaterials Research Corporation Low-cost multilaminate sensors
US20180224391A1 (en) * 2015-07-31 2018-08-09 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Erica Campus Multi-Layer Ceramic/Metal Type Gas Sensor And Manufacturing Method Of The Same
CN108473802A (zh) * 2015-10-07 2018-08-31 剑桥企业有限公司 层状材料及其加工方法
CN108844652A (zh) * 2018-04-28 2018-11-20 北京机械设备研究所 Mems气体传感器芯片、传感器及传感器的制备方法
CN111077190A (zh) * 2020-01-06 2020-04-28 苏州大学 电阻式薄膜二氧化氮传感器及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BIN LIU 等: "Surrounding Sensitive Electronic Properties of Bi2Te3 Nanoplates—Potential Sensing Applications of Topological Insulators", 《SCIENTIFIC REPORTS》 *
HUIJUN ZHANG 等: "Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3", 《NATURE PHYSICS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092544A (zh) * 2021-04-08 2021-07-09 青岛大学 级次结构氧化铋材料在气体检测中的应用
CN113092544B (zh) * 2021-04-08 2024-02-20 青岛大学 级次结构氧化铋材料在气体检测中的应用
CN116818846A (zh) * 2023-06-21 2023-09-29 深圳市诺安智能股份有限公司 一种半导体气体传感材料及其制备方法

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