一种基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体氧化物甲烷气体传感器的，尤其涉及一种掺杂金属铂颗粒的氧化钒薄膜、室温检测甲烷气体传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，我国煤矿瓦斯爆炸事故居高不下，对矿工的安全造成极大的伤害。而罪魁祸首就是甲烷。甲烷是瓦斯的最主要成分，是无色、无味、易燃、易爆气体。一定浓度的甲烷(甲烷的爆炸极限浓度在空气中是5% -15% )与氧气混合后遇到微小的火花就会发生爆炸。目前，对于甲烷气敏传感器的研宄大多是基于氧化锌，氧化锡等广泛研宄的半导体金属氧化物材料。但是这些半导体氧化物传感器的工作温度高，其制造传感器老化加快，稳定性下降，并使得功耗增加。目前，实现甲烷气体的室温检测仍然是一项极富挑战性的任务。
[0003]二氧化钒作为一种热致相变金属氧化物半导体材料，在68°C附近，由低温半导体单斜结构转变为高温金属四方金红石结构，同时伴随着电阻率、磁化率、光透射的变化。因此广泛应用于光电开关材料、智能玻璃、存储器等。2014年A.K.Prasad等人发现二氧化隹凡对甲烷气体具有敏感特性，但是其工作温度为50°C，仍高于室温。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，克服现有技术中甲烷气敏传感器工作温度高的问题。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]一种基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，包括如下步骤:
[0007](I)清洗陶瓷片基底:
[0008]在超声清洗器中分别用丙酮、无水乙醇超声清洗陶瓷衬底，之后用去离子水、无水乙醇清洗陶瓷衬底，最后用红外线快速干燥箱干燥；
[0009](2)溅射交叉铂电极:
[0010]用高真空磁控溅射镀膜机在上述已经清洗干净的陶瓷片衬底上镀铂的交叉电极；
[0011 ] (3)溅射金属钒的薄膜:
[0012]用超高真空直流对靶磁控溅射仪在陶瓷片衬底上淀积金属钒膜；
[0013](4)掺杂溅射金属铂颗粒:
[0014]用高真空磁控溅射镀膜机进行钒金属薄膜部分金属铂的掺杂，在氧化钒纳米薄膜上形成铂的纳米颗粒；
[0015](5)快速退火制备氧化钒薄膜:
[0016]将制得的金属铂掺杂的钒纳米薄膜放入快速退火炉中进行退火，获得氧化钒薄膜。
[0017]所述步骤(3)淀积金属I凡薄膜厚度为150nm。
[0018]所述步骤(5)退火过程中，通入纯氧，退火温度为400°C -500°C。
[0019]本发明的有益效果为:
[0020]I)制备的掺杂铂的氧化钒复合薄膜颗粒尺寸在纳米级别。工艺简单，参数较少且可控性尚，能够缩短制备时间，提尚样品重复性。
[0021]2)展示了一种可室温探测甲烷气体，具有较高灵敏度、较高选择性、掺杂金属铂颗粒的氧化钒薄膜甲烷气敏传感器的制备方法。
[0022]铂作为一种贵金属材料，掺入到半导体气敏材料后，可以在室温下对甲烷进行催化，从而影响整个引起整个敏感材料的电导率的变化，提高传感器的活性，降低其工作温度。除此之外，其还能大幅度提高气敏传感器的灵敏度。
【附图说明】
[0023]图1是掺金属铂的氧化钒薄膜扫描电子显微镜照片；
[0024]图2是本发明的方法制备掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器的结构示意图；
[0025]图3是在450°C退火、掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器在室温下对500ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
[0026]图4是在450°C退火的氧化钒薄膜气敏传感器的相变特性；
[0027]图5是在450°C退火、掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器材料XRD曲线；
[0028]图6是在460°C退火、掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器在室温下对500ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
[0029]图7是在460°C退火的氧化钒薄膜气敏传感器的相变特性；
[0030]图8是在460°C退火、掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器XRD材料曲线；
[0031]图9是在470°C退火、掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器在室温下对500ppm甲烷气体的响应/恢复曲线图；
[0032]图10是在470°C退火的氧化钒薄膜气敏传感器的相变特性；
[0033]图11是在470°C退火、掺金属铂的氧化钒薄膜气敏传感器材料XRD曲线。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0035]实施例1
[0036]I)清洗陶瓷片基底:
[0037]把购买的陶瓷衬底切割成长宽尺寸为10mmX25mm左右。之后在超声清洗器中分别用丙酮、无水乙醇超声清洗15分钟。用去离子水、无水乙醇清洗陶瓷衬底。最后用红外线快速干燥箱干燥5分钟。到达清洗衬底表面的目的。
[0038]2)溅射交叉铂电极:
[0039]用JCP-200高真空磁控溅射镀膜机在上述已经清洗干净的陶瓷片衬底上镀铂的交叉电极。靶材采用纯度为99.99%高纯度金属铂。氩气流速为24SCCm，溅射压强0.0E-5，溅射功率为100W，基底保持室温，溅射时间2分钟。
[0040]3)溅射金属钒的薄膜:
[0041]用DPS-1II型超高真空直流对靶磁控溅射仪在陶瓷片衬底上淀积金属钒膜。靶材选用纯度为99.99%的金属|凡。淀积金属I凡薄膜厚度约150nm。
[0042]4)惨参杂派射金属销颗粒:
[0043]用JCP-200高真空磁控溅射镀膜机进行钒金属薄膜部分金属铂的掺杂。靶材采用纯度为99.99%高纯度金属钼，在氧化I凡纳米薄膜上形成钼的纳米颗粒。
[0044]5)快速退火制备氧化钒薄膜:
[0045]将制得的金属铂掺杂的薄膜放入快速退火炉中进行退火，获得氧化钒薄膜。退火过程中，通入纯度为99.99%的氧气，退火温度为450°C，保温时间为270s。(制得成品如图2所示)
[0046]本实施例制得的气敏传感器在室温时对500ppm甲烷气体进行测试，在500ppm甲烷气体下，传感器灵敏度是1.07，图3显示甲烷响应敏感曲线，图4是450°C退火氧化钒相变特性，图5是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线。
[0047]实施例2
[0048]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:步骤5)中退火温度为460°C。所制得的气敏传感器元件在室温时对500ppm甲烷气体的灵敏度为1.18，图6显示甲烷响应敏感曲线，图7是460°C退火氧化钒相变特性，图8是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线。
[0049]实施例3
[0050]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:步骤5)中退火温度为470°C。所制得的气敏传感器元件在室温时对500ppm甲烷气体的灵敏度为1.05，图9显示甲烷响应敏感曲线，图10是470°C退火氧化钒相变特性，图11是所做甲烷传感元件材料的XRD曲线。
[0051]对比例I
[0052]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:没有步骤4)，不进行参杂金属铂，在450°C进行退火，做出一个没有参杂的氧化钒的薄膜的对照样品。本实例做得的气敏传感器在500ppm甲烷响应较小，与前面实施例1样品形成对照。
[0053]对比例2
[0054]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:没有步骤4)，不进行参杂金属铂，在460°C进行退火，做出一个没有参杂的氧化钒的薄膜的对照样品。本实例做得的气敏传感器在500ppm甲烷响应较小，在1.01左右，与前面实施例2样品形成对照。
[0055]对比例3
[0056]本实施例与实施例1相似，不同之处在于:没有步骤4)，不进行参杂金属铂，在470°C进行退火，做出一个没有参杂的氧化钒的薄膜的对照样品。本实例做得的气敏传感器在500ppm甲烷响应较小，与前面实施例3样品形成对照。
[0057]本发明采用掺杂金属铂颗粒的氧化钒纳米薄膜传感器对检测气体的敏感特性，气敏元件的灵敏度S = Ra/Rg，其中Rg、Ra*别为元件在检初始稳定阻值和与通入气体后稳定的阻值。
[0058]本发明所制备的参杂金属铂颗粒的氧化钒薄膜气敏传感器，是新型检测室温下甲烷气体传感器的理想材料。
[0059]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)清洗陶瓷片基底: 在超声清洗器中分别用丙酮、无水乙醇超声清洗陶瓷衬底，之后用去离子水、无水乙醇清洗陶瓷衬底，最后用红外线快速干燥箱干燥； (2)溅射交叉铂电极: 用高真空磁控溅射镀膜机在上述已经清洗干净的陶瓷片衬底上镀铂的交叉电极； (3)溅射金属钒的薄膜: 用超高真空直流对靶磁控溅射仪在陶瓷片衬底上淀积金属钒膜； (4)掺杂溅射金属铂颗粒: 用高真空磁控溅射镀膜机进行钒金属薄膜部分金属铂的掺杂，在氧化钒纳米薄膜上形成铂的纳米颗粒； (5)快速退火制备氧化钒薄膜: 将制得的金属铂掺杂的钒纳米薄膜放入快速退火炉中进行退火，获得氧化钒薄膜。
2.根据权利要求1所述基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)淀积金属I凡薄膜厚度为150nm。
3.根据权利要求1所述基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)退火过程中，通入纯氧，退火温度为400°C -500°C。
【专利摘要】本发明提供了一种基于氧化钒的室温甲烷气体传感器的制备方法，首先溅射，淀积交叉金属铂电极，通过直流磁控溅射镀金属钒纳米薄膜，再溅射掺杂金属铂颗粒，然后利用快速退火技术进行氧化生成氧化钒，最后进行传感器的气敏测试。本发明方法克服其他甲烷传感器工作温度点高的缺点，简单、易操作、在室温工作，是一种具有较高灵敏度、较高选择性、掺杂金属铂颗粒的氧化钒薄膜甲烷气敏传感器的制备方法。
【IPC分类】C23C14-58, C23C14-14, C23C14-35
【公开号】CN104878360
【申请号】CN201510324955
【发明人】梁继然, 刘俊锋, 李娜, 李文娇
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月12日