[发明专利]一种氧缺陷半导体二氧化氮气敏涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程与材料科学的气体传感器技术领域，特别涉及一种氧缺陷半导体二氧化氮气敏涂层的制备方法。

背景技术

二氧化氮(NO₂)是一种影响空气质量的重要污染物，为有毒有害气体，主要来源于城市汽车尾气、燃料的燃烧和工业生产。它可以在大范围内引起多种环境问题，是形成光化学烟雾的主要因素之一，也是酸雨的来源之一。当浓度超过200μg/m³时，它能对人体呼吸系统产生严重危害。我国将在2016年1月1日全国实施新环境空气质量标准，将NO₂溶度限制至40μg/m³(年平均)，因而NO₂气体传感器的研究相当活跃。

在NO₂气体传感器中，由于宽带隙金属氧化物基半导体具有较高的灵敏度以及响应和恢复速度，因而被视为极具发展潜力的气敏材料。

传统宽带隙金属氧化物基气体传感器通常需要在中高温下工作，所需的加热部件不仅增加了功耗，而且降低了传感器在复杂气氛条件下，特别是有可燃气体的情况下的安全性和稳定性。因此，降低传感器的工作温度，实现室温下NO₂气体检测，同时实现高灵敏度、快速响应和恢复，是宽带隙半导体气体传感器研究的重要目标。

实现宽带隙半导体气体传感器在室温下工作的有效途径是采用光照射半导体表面，当光子能量高于带隙宽度时，价带电子会发生跃迁，表面电导率会发生显著变化，从而加快表面化学反应过程，提高气体传感器在室温下的响应能力。

在本发明作出之前，大多数研究者都采用紫外光作为激发光源，但是由于其价格较贵、使用不方便且会使气敏元件发生老化等缺点，因而应用受到很大的限制。利用可见光作为激发光源可以有效的解决上述问题，但是可见光能激发的宽带隙半导体材料有限，因此需要在宽带隙半导体的价带和导带之间引入电子施主能级，从而使宽带隙半导体在可见光下实现激发。

CN103031508A是一种液料等离子喷涂装置，这个装置包括等离子系统和液料输送装置，液料输送动力装置、清洁系统及液料注入系统组成了液料输送系统。用于在基体上制备出具有纳米结构的陶瓷涂层，液滴经所述等离子射流加热加速后沉积在所述基体上形成纳米结构的陶瓷涂层。

CN104713914A是一种半导体电阻式气体传感器及其制备方法。该方法的气敏材料由半导体纳米晶复合材料和石墨烯构成。采用胶态法合成半导体纳米晶溶液在室温下直接成膜，不需要经过高温处理，能耗小，且不会造成纳米颗粒的团聚，能够最大限度地发挥纳米颗粒比表面积大的优势，有利于气体吸附，提高传感器的灵敏度。

CN104569061A是一种金属氧化物半导体气体传感器及其制备方法，该方法将加热层和功能层设置于基底上且与加热层绝缘，功能层包括彼此电性连接的信号电极和气敏层；其中，检测层包括依次形成于基底上的第一薄膜层和第二薄膜层，第一薄膜层的比表面积小于第二薄膜层的比表面积。以稳定体电阻，防止检测层的体电阻发生漂移。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述缺陷，研制一种氧缺陷半导体二氧化氮气敏涂层的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种氧缺陷半导体二氧化氮气敏涂层的制备方法，其主要技术特征在于如下步骤：

(1)采用氧化铝Al₂O₃或经过表面氧化处理的单晶硅片Si作为绝缘基体；

(2)通过丝网印刷、溅射、蒸镀或喷涂方法在绝缘基体正面制备叉指型电极和接线端；

(3)称取无机盐粉末溶于去离子水或有机溶剂中，利用搅拌装置搅拌得到均匀溶液作为前驱体；

(4)将前驱体通过非雾化喷嘴送入到由等离子喷枪产生的焰流；

(5)前驱体溶液经过蒸发、分解、成核、加热和加速，以熔融粒子撞击在叉指型电极正上方制备得到半导体气敏涂层。

所述步骤(1)中将绝缘基体清洗并干燥。

所述步骤(3)中无机盐粉末为乙酸锌或钨酸铵。

所述步骤(3)中搅拌装置为磁力搅拌器。

本发明的优点和效果在于：

第一，运用溶液前驱体等离子喷涂可以制备纳米、多孔结构半导体气敏层，易于实现超薄(＜50μm)涂层的制备。

第二，运用溶液前驱体等离子喷涂的方法可以实现含氧缺陷涂层的制备，涂层中的氧缺陷浓度可调。

第三，氧缺陷半导体涂层可以显著的降低材料带隙，实现在室温下对可见光的吸收。