CN209387570U - 一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，该探测器从下至上依次包括衬底层、SnO2薄膜层、嵌入SnO2薄膜层的ZnO纳米柱，以及包覆在SnO2薄膜层、ZnO纳米柱上的Pt量子点和设置在两端的电极，该探测器的响应时间为5‑10s，能够同时对乙醇、CO、NO气体进行探测，探测极限为5‑10ppm。本实用新型适用范围广，可以在多种衬底上制备ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，本实用新型提供的探测器同时含有ZnO和SnO2两种有效探测材料体系，具有双波段选择性光探测或同时对两种特殊的气体进行选择性检测；该探测器同时包含有ZnO纳米柱阵列和SnO2多孔薄膜，有利于提高探测的灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及探测器技术领域，尤其是一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器以及制备方法。
背景技术
由于ZnO、SnO2、TiO2等氧化物属于半导体材料具有优异的物理和化学性能，其在电子信息器件、发光器件、光催化降解、催化反应、太阳能电池、锂电池等领域发挥重要作用。因此，氧化物半导体材料是目前材料领域的一个研究重点和热点。
传感器是当前电子器件重要发展的一个关键领域。ZnO和SnO2具有成本较低、性能突出的特点，ZnO在常温下禁带宽度为3.37eV，为直接带隙半导体，对紫外光的吸收系数大，可以充分的吸收紫外光；而且其载流子迁移率很高，高的电子迁移率有助于具有更大的电导和快速的电荷分离；同时它的激子束缚能很大，约为60meV，具有优良的光电性质，除此之外，由于其独特且优良的介电和压电等特性，在光电探测和气敏传感等领域得到了广泛的研究。
研究表明，ZnO在工作温度为200℃以上时对NO2有较好的选择性和较高的灵敏度，可探测ppb级的NO2气体，然而，高的工作温度限制了气敏元件对易燃易爆气体的检测，同时，在高温工作环境中，金属氧化物晶面会产生扩散和烧结效应，从而影响传感器稳定性。
目前，气敏传感器主要是基于SnO2薄膜材料，可对H2、CO、NO2、C2H2、H2S、NH3、CH4、天然气等还原性、可燃性和有毒气体进行全面检测。然而，SnO2气敏传感器的工作温度较高，且性能不稳定，而且通常只能针对某一种气体进行高效选择性探测。实际探测过程中，为了提高有毒有害气体检测的种类，通常需要安装多个探测报警器，这样导致成本的增加，进一步提高了探测成本。因此，发展具有多功能的气敏探测器是十分必要的。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，本实用新型制备工艺简单，制备成本低，并且本实用新型制备的探测器可同时检测多种气体。
本实用新型的技术方案为：一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，从下至上依次包括衬底层、SnO2薄膜层、嵌入SnO2薄膜层的ZnO纳米柱，以及包覆在SnO2薄膜层、ZnO纳米柱上的Pt量子点和设置在两端的电极。
进一步的，所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的响应时间为5-10s。
进一步的，所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器能够同时探测乙醇、氢气、丙酮、CO气体，探测极限为5-10ppm。
进一步的，所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器对紫外光的探测小于250nm。
进一步的，所述的衬底层为蓝宝石、硅片、金属、玻璃、石英中的任意一种，其尺寸为2cm×2cm-8cm×8cm。
进一步的，所述的ZnO纳米柱的直径为300-360nm。
进一步的，所述的SnO2薄膜层的厚度为500-5500nm。
进一步的，所述的Pt量子点的直径为2-20nm。
该新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的制备工艺具体如下：
S1)、前驱体溶液的制备，将0.1-0.3质量份数的氯化亚锡、0.2-0.6质量份数的醋酸钠、0.04-0.8质量份数的氯化锌、为0.1-0.2质量份数的聚乙二醇(PEG，分子量2000-6000)，20-40体积份数的乙二醇为混合，在温度为60-80℃下使用磁力搅拌机搅拌60-120min，使SnCl2、ZnCl2和聚乙二醇完全溶解到乙二醇当中，获得均匀混合的前驱体溶液；
S2)、前驱体薄膜的制备，将干净的衬底放到加热垫板上，在温度为200-300℃的条件下，使用喷枪在衬底上均匀喷涂20-40s，获得前驱体薄膜；
S3)、高温烧结，将步骤S2)制备的前驱体薄膜转移到箱式炉当中，以每分钟5-10℃的升温速率加热至500-900℃，并保温60-120min，然后自然降温到室温；在快速升温过程中，氯化亚锡、ZnCl2与醋酸钠或者聚乙二醇一起反应，分解成SnO2、ZnO、氯化氢、水、二氧化碳，氯化氢、水、二氧化碳挥发出来形成孔洞；由于ZnCl2速率较快，因而形成了长度较短的纳米柱，经过高温煅烧，获得了ZnO纳米柱嵌入SnO2的复合薄膜；
S4)、制备电极，使用掩膜板和电子束蒸发在复合薄膜上蒸镀刷形金属电极，之后，在300-400℃下进行合金化处理，改善电极和复合薄膜的接触特性，由此获得结构完整的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器。
进一步的，步骤S2)中，所述的衬底为蓝宝石、硅片、金属、玻璃、石英中的任意一种，衬底尺寸为2cm×2cm-8cm×8cm。
进一步的，步骤S3)、在制备电极前，采用喷金仪喷涂5-15s，在复合薄膜上生长2-20nm的Pt量子点。
本实用新型的有益效果为：
1、本实用新型适用范围广，可以硅片、金属、导电玻璃等多种衬底上制备新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器；
2、本实用新型制备的新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器同时含有ZnO和SnO2两种有效探测材料体系，具有双波段选择性光探测或同时对两种特殊的气体进行选择性检测；
3、本实用新型制备新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器同时包含有ZnO纳米柱阵列和SnO2多孔薄膜，有利于提高探测的灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型的新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的结构示意图。
图2本实用新型制备工艺中高温烧结后的新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的低倍扫描电子显微镜(SEM)；
图3为本实用新型的新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的高倍SEM；
图中，1-衬底层，2-SnO2薄膜层，3-ZnO纳米柱，4-Pt量子点，5-电极。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
如图1所示，一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，从下至上依次包括衬底层1、SnO2薄膜层2、嵌入SnO2薄膜层2的ZnO纳米柱3，以及包覆在SnO2薄膜层2、ZnO纳米柱3上的Pt量子点和4设置在两端的电极5，该所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的响应时间为5-10s。并且能够同时对乙醇、CO、NO气体进行探测，探测极限为5-10ppm。
另外，所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器对紫外光的探测小于250nm。
所述的衬底层1为蓝宝石、硅片、金属、玻璃、石英中的任意一种。
所述的ZnO纳米柱3的直径为300-360nm。
所述的SnO2薄膜层2的厚度为500-5500nm。
所述的Pt量子点4的直径为2-20nm。
实施例2
所述新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的制备工艺具体如下：
S1)、前驱体溶液的制备，将0.16g的氯化亚锡、0.3g的醋酸钠、0.08g的氯化锌、为0.2g的聚乙二醇(PEG，分子量2000-6000)，40mL的乙二醇为混合，在温度为80℃下使用磁力搅拌机搅拌60min，使SnCl2、ZnCl2和聚乙二醇完全溶解到乙二醇当中，获得均匀混合的前驱体溶液；
S2)、前驱体薄膜的制备，将干净的玻璃衬底放到加热垫板上，在温度为250℃的条件下，使用喷枪在衬底上均匀喷涂20s，获得前驱体薄膜，其中，喷枪的压力为2KG，衬底的尺寸为2cm×2cm；
S3)、高温烧结，将步骤S2)制备的前驱体薄膜转移到箱式炉当中，以每分钟10℃的升温速率加热至600℃，并保温60min，然后自然降温到室温；在快速升温过程中，氯化亚锡、ZnCl2与醋酸钠或者聚乙二醇一起反应，分解成SnO2、ZnO、氯化氢、水、二氧化碳，氯化氢、水、二氧化碳挥发出来形成孔洞；由于ZnCl2速率较快，因而形成了长度较短的纳米柱，经过高温煅烧，获得了ZnO纳米柱嵌入SnO2的复合薄膜；
S4)、用喷金仪喷涂10s，在复合薄膜上生长2-10nm的Pt量子点；
S5)、制备电极，使用掩膜板和电子束蒸发在复合薄膜上蒸镀刷形金属电极，之后，在300℃下进行合金化处理，改善电极和复合薄膜的接触特性，由此获得结构完整的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器。
图2是高温烧结后的新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的低倍SEM图，从图中可以清楚的观察到薄膜的表面密密麻麻布满了白色的纳米颗粒，图3是该新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的高倍SEM图；进一步的高倍显微照片显示，低倍下看到的白色纳米颗粒是纳米柱，纳米柱的直径大部分落在300-360nm区间，此外，SnO2薄膜上还有较多的纳米级孔洞暴露在薄膜的表面。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理和最佳实施例，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。
Claims (6)
1.一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，其特征在于：从下至上依次包括衬底层、SnO2薄膜层、嵌入SnO2薄膜层的ZnO纳米柱，以及包覆在SnO2薄膜层、ZnO纳米柱上的Pt量子点和设置在两端的电极，所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器的响应时间为5-10s，所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器能够同时对乙醇、氢气、丙酮、CO气体进行探测，探测极限为5-10ppm。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，其特征在于：所述的ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器对紫外光的探测小于250nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，其特征在于：所述的ZnO纳米柱的直径为300-360nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，其特征在于：所述的SnO2薄膜层的厚度为500-5500nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，其特征在于：所述的Pt量子点的直径为2-20nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于新型ZnO纳米柱/SnO2薄膜探测器，其特征在于：所述的衬底层为蓝宝石、硅片、金属、玻璃、石英中的任意一种，其尺寸为2cm×2cm-8cm×8cm。
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