[发明专利]一种基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件及其制备方法和应用，属于半导体材料技术领域。本发明以六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料作为气敏材料，利用六方氮化硼纳米片高导热率、低热膨胀系数、低介电常数、高化学稳定性和高比表面积的性质，结合氧化铁纳米颗粒对正丁醇气体的高灵敏度，可以提高气敏元件的气敏性能。实施例结果表明，本发明提供的基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件用于正丁醇气体检测时，响应时间为12.6s，恢复时间为27s，最佳工作温度为375℃。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件及其制备方法和应用。

背景技术

正丁醇是挥发性有机化合物(VOCs)的一种，主要用于制造邻苯二甲酸、脂肪族二元酸及磷酸的正丁酯类增塑剂，还可作为油脂、药物(如抗生素、激素和维生素)和香料的萃取剂，醇酸树脂涂料的添加剂等，又可用作有机染料和印刷油墨的溶剂，脱蜡剂。人体长时间暴露于正丁醇的环境下可能会引起头痛、头晕、嗜睡、皮炎、眼睛和呼吸系统不适等症状，所以高效快速检测正丁醇气体对人体健康具有重要意义。

金属氧化物气体传感器作为“气—电”信息转换器件，同其它方法相比，具有快速、简便等优点。目前在对正丁醇气体的检测中，应用最广泛的是氧化铁材料。氧化铁材料常被用来检测醇类气体、液化石油气、丙酮气体，但其稳定性较差，受环境影响较大，对气体选择性较差。

目前解决上述问题的方法有：通过对氧化铁进行贵金属掺杂，从而制备出二元、三元复合金属氧化物；或者是通过细化晶粒，对材料表面进行修饰，可有效改善材料的气敏特性和导电性能。但是这些解决方案存在着工艺繁琐、造价昂贵、无法大规模生产等缺点。决定气敏传感器性能的关键在于传感器中的气敏元件所用的气敏材料，因此对目前检测所用的气敏材料进行改良，是提高气敏传感器性能的有效手段。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件及其制备方法和应用。本发明提供的基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件成本低，用于正丁醇气体检测时灵敏度高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件，包括气敏元件基体和设置在所述气敏元件基体表面的气敏材料层，所述气敏材料层中的气敏材料为六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料。

优选的，所述气敏材料层的厚度为0.1～1mm。

优选的，所述六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料中六方氮化硼纳米片与氧化铁纳米颗粒的质量比为10:0.1～5。

优选的，所述六方氮化硼纳米片的直径为1～10μm，厚度为1～50nm。

优选的，所述氧化铁纳米颗粒的粒径为10～30nm。

本发明提供了上述基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁源与聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶的甲苯溶液混合，得到负载铁源的反胶束溶液；

(2)将六方氮化硼纳米片粉末与所述负载铁源的反胶束溶液混合，得到混合反胶束溶液；

(3)将所述混合反胶束溶液依次进行过滤和退火，得到六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料；

(4)将所述六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料与溶剂混合后研磨，得到浆料；

(5)将所述浆料涂覆于气敏元件基体表面后干燥，得到基于六方氮化硼纳米片/氧化铁纳米颗粒复合材料的气敏元件。