[发明专利]碳纳米管电致发光气体传感器及其应用

说明书

技术领域

本发明属于传感器领域，特别是涉及碳纳米管电致发光气体传感器及其应用。

背景技术

在环境保护、医疗和工业生产中，对NO₂、O₂、NH₃、N₂、CO₂、H₂、CH₄、CO和H₂O等气体分子进行实时检测具有重要意义。目前，金属氧化物半导体(MOS)传感器和固态电解质(SE)传感器占据着气体传感器的绝大部分市场。但他们或需要在较高温度下工作，或消耗功率大、灵敏度低、抗干扰能力较差，使用不便。其他气体传感器主要包括催化燃烧式气体传感器、电化学气体传感器、光纤气体传感器等。催化燃烧式气体传感器受温度和湿度影响小，响应快，但这种传感器是以检测可燃性气体的爆炸下限浓度为目标，只适用于可燃性气体检测。电化学气体传感器灵敏度高、选择性好，其缺点是易受电解液干涸或环境湿度变化等因素的影响，需经常标定，且使用寿命短。光纤气体传感器具有响应快、灵敏度高、稳定性高、使用寿命长的特点，但这种传感器价格高。近年来，纳米技术的发展极大的促进了气体传感器的研究。清华大学张新荣等人利用一些气体遇到具有高催化活性的纳米材料时会产生强烈的化学发光现象，制作了基于纳米材料催化化学发光的气体传感器，主要用于对氨、硫化氢和乙醇、乙醛、丙酮等挥发性有机气体的检测。利用这些传感器在不同测试条件下对不同气体响应的交叉敏感差异性组成阵列，可以完成对混合气体的识别检测。但这些纳米材料对不同气体的灵敏度有很大差异，而且测试过程中也需要高温条件，且加热温度是影响测试结果的主要因素。发展室温下、便携式、稳定耐久、低功耗以及重复可逆的实时气体传感器有着非常重要的科学意义和现实意义。

碳纳米管(CNT)是最具代表性的一维纳米材料之一，具有高表面吸附能力、良好的导电性和电子弹道传输特性等优异的力学、电学、物理和化学性能，是制作纳米气体传感器的理想材料之一。近年来，各国研究者广泛开展了碳纳米管气体传感器的研究工作，并取得了许多显著成果。由于碳纳米管比表面积大，碳纳米管对一些气体分子具有很强的吸附能力；吸附的气体分子与半导体性碳纳米管相互作用，改变了它的费米能级，从而引起碳纳米管宏观电阻发生较大改变。通过测定这一电阻的变化即可检测气体。2000年J.Kong等人测量了单根单臂碳纳米管(SWCNTs)在不同气体环境中导电性的变化，发现SWCNTs在200ppm的NO₂环境下单壁碳纳米管的导电性增强了3个数量级，而在1％的NH₃环境下其导电性则下降了2个数量级。作者认为当半导体单壁碳纳米管置于NH₃气氛中时，价带偏离费米能级，使空穴损耗导致其电导变小；而在NO₂气氛中时，价带向费米能级靠近，使空穴载流子增加从而使其电导增加。他们为碳纳米管作为敏感材料构成气体传感器的研究开创了先河。更重要的是，为室温气体检测打开了大门。这种传感器具有灵敏度高、响应快的特点，但是它需要很长的恢复时间。Zettle研究小组发现，碳纳米管的电性能与氧气吸附有很大的关系。当碳纳米管暴露于空气或氧气中时，半导体性碳纳米管可以转变为金属性的碳纳米管。这不仅说明碳纳米管可以用做氧气传感器的材料，也表明原来在空气中测到的碳纳米管性能很可能与氧气有关。O.K.Varghese等人设计了两种多壁碳纳米管(MWNTs)传感器形式：一种是电容式传感器；另一种为碳纳米管弯曲电阻式，称为电阻式传感器。随后，单壁碳纳米管边缘场效应的电容式气体传感器也相继报道。此外，Snow等人还发现，在测量电容信号的同时测量梳状电极之间电导信号时，每种气体电导变化量(ΔG)与电容变化量(ΔC)的比值不随浓度的改变而变化，ΔG/ΔC是一个常数，每种气体的ΔG/ΔC值都不同，用ΔG/ΔC可以较好地区分气体种类。此类传感器主要利用碳纳米管对气体的吸附作用后导致碳纳米管宏观电阻或电容变化从而测定气体的。