[发明专利]一种基于二维层状SnS2

说明书

一种基于二维层状SnS₂纳米花半导体材料的NO₂气体传感器及其制备方法，属于二维过渡金属硫化物半导体材料气体传感器技术领域。本发明的传感器由外表面带有线宽为75μm的Au叉指电极的氧化铝陶瓷片和涂覆在电极上的二维SnS₂纳米花半导体敏感材料组成。SnS₂纳米花的直径为30～50μm，纳米花瓣的厚度在10nm以下。本发明利用二维层状SnS₂纳米花半导体材料具有对NO₂选择性好、比表面积大、物理化学性质稳定的特点，达到提高传感器对NO₂的响应值、实现室温工作降低功耗、耐湿的功效。此外，本发明工艺简单，器件寿命长，适于大批量生产，在检测NO₂气体领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于二维过渡金属硫化物半导体材料气体传感器技术领域，具体涉及一种基于二维层状SnS₂纳米花半导体材料的NO₂气体传感器及其制备方法。

背景技术

伴随着工业的发展，煤、石油等化石燃料的大量燃烧，汽车尾气的排放导致大气中有毒有害气体的浓度越来越高。其中，以NO₂为代表的氮氧化物超过一定浓度后，会给环境和人类健康造成恶劣影响。氮氧化物主要包括一氧化氮、一氧化二氮和二氧化氮。氮氧化物在遭遇光、湿、热等情况下，最终都会不同程度地转化成NO₂。NO₂是一种危害极大的气体，过量的NO₂排放，会形成光化学烟雾、酸雨等。人体吸入过量的NO₂后，肺组织会受到强烈的刺激甚至被腐蚀；儿童长期吸入NO₂，会造成肺部功能发育障碍，更严重地还会改变肺的结构。空气环境中，NO₂的浓度超过1ppm以后，人类吸入后，呼吸系统就会受到损伤。所以，开发检测低浓度的NO₂气体传感器具有实际应用价值。

传统的三维半导体氧化物材料气体传感器通常需要在几百摄氏度的条件下才能正常工作，这样不仅导致较大的功耗，而且在检测易燃易爆危险气体时存在较高的风险，在气体浓度接近爆炸极限时容易爆炸。而且大多数半导体氧化物气体传感器受湿度影响大，在较高的湿度环境中，检测气体的灵敏度严重下降，响应恢复速度会变慢甚至无法恢复到基线值，从而严重影响气体的检测。这些都是影响半导体氧化物气体传感器实际应用的问题。

SnS₂作为过渡金属硫化物中的一种，是常见的二维材料。Sn原子夹在两层S原子之间，形成三明治一样整齐的微观结构。与SnO₂等三维半导体材料相比，SnS₂具有更大的比表面积，表面具有更多的活性位点有利于吸附更多的气体分子，适用于制备室温工作的气体传感器件。SnS₂是一种n型间接带隙半导体材料，带隙宽度在2.0～2.6ev之间。SnS₂具有比SnO₂更强的电负性因为S 3p轨道比O 2p轨道的电负性大，对NO₂的吸附力更强；除此之外，通过第一性原理计算得知，SnS₂对NO₂具有极好的选择性，在室温下也可产生很高的响应值。SnS₂具有较好的物理化学稳定性，Sn原子和S原子在自然界中含量丰富，易于合成、造价低廉，实际应用也具有大规模生产的可能性。SnS₂的这些性质使其非常适于用作气体传感器的敏感材料，在NO₂气体检测方面有很好的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二维层状SnS₂纳米花半导体材料的NO₂气体传感器及其制备方法，本发明制备的气体传感器显示出优异的气敏性能。