一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料、制备方法及应用

本发明属于半导体金属氧化物材料，具体涉及一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料、制备方法及应用。

背景技术：

1、半导体金属氧化物因其具有灵敏度高、稳定性好、易于制备等优点，在检测有毒有害气体方面有极大的优势。二氧化氮是一种刺激性的红褐色氧化性气体，主要来自运输和工业过程中燃烧反应的副产品，长期接触二氧化氮会导致呼吸系统疾病。此外，过量释放的二氧化氮严重污染了生态环境。因此，开发能够快速识别二氧化氮气体的先进传感器是至关重要的。

2、常见的氧化锌晶体结构有六方纤锌矿结构、立方闪锌矿和立方岩盐结构。六方纤锌矿结构的热力学稳定性最有优异，是目前研究最多的结构，也是常用的监测二氧化氮的金属半导体。而具有更大比表面积、电荷限制能力和更多反应位点的规则图案性一维氧化锌纳米阵列结构通常比具有其他形态的氧化锌纳米材料表现出更好的气敏性能。

3、现有技术的缺陷和不足：

4、目前，已经开发和引进了多种方法来合成一维氧化锌，包括化学气相沉积、金属有机化学气体沉积、气液固生长、溅射和脉冲激光沉积。然而，这些生长方法都需要相对高的合成温度(＞350℃)。其次，一维氧化锌生长的问题是难以在基底上实现良好的有序生长。目前，除了使用激光掩模溅射的方法，水热生长规整有序的氧化锌阵列结构无法做到图案化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料、制备方法及应用，能够原位生长图案化氧化锌纳米线阵列结构，制备方法简单、原料廉价、重现效果好，可以成为生长大规模有序图案化氧化锌纳米线阵列材料的通用方法。

2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

3、一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料，呈规则蜂窝状排布，蜂窝间隙处生长有氧化锌纳米线，形成氧化锌纳米线阵列，蜂窝底部生长有氧化锌纳米管；所述氧化锌纳米线的直径为40nm～60nm，蜂窝的孔状直径为1μm，氧化锌纳米管的直径为40nm～60nm。

4、一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，包括：

5、将表面旋涂有第一锌源前驱体溶液的基板进行升温，得到带有氧化锌晶种的基板；

6、将聚苯乙烯球分散于乙醇和水的混合溶液中得到聚苯乙烯球分散溶液，再将聚苯乙烯球分散溶液注射到纯水中，自组装得到带有一层聚苯乙烯球薄膜的掩模板溶液；

7、将所述带有氧化锌晶种的基板放入所述掩模板溶液并取出，在所述带有氧化锌晶种的基板表面形成一层聚苯乙烯球薄膜；

8、将表面具有一层聚苯乙烯球薄膜且带有氧化锌晶种的基板置于等摩尔比的第二锌源前驱体溶液和乌洛托品溶液中，进行水热反应；

9、将水热反应后的基板退火去除聚苯乙烯球薄膜和氧化锌晶种，得到图案化氧化锌气敏纳米阵列材料。

10、作为一种优选方案，所述第一锌源前驱体溶液采用无水醋酸锌作为锌源，将浓度为5mm的无水醋酸锌溶液溶解在无水乙醇中，搅拌形成第一锌源前驱体溶液。

11、作为一种优选方案，所述基板为硅片或叉指电极，旋涂速度为1000rpm/s～2000rpm/s，旋涂时间为10s～30s。

12、作为一种优选方案，所述将表面旋涂有第一锌源前驱体溶液的基板进行升温的步骤，在马弗炉中进行，温度为350℃～450℃，升温速率为5℃/分钟，保持时间为30分钟。

13、作为一种优选方案，所述乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1:1；

14、所述聚苯乙烯球的直径为1μm，所述将聚苯乙烯球分散溶液注射到纯水中的步骤，纯水的体积为10ml～20ml，聚苯乙烯球分散溶液的注入体积为10μl～20μl。

15、作为一种优选方案，所述等摩尔比的第二锌源前驱体溶液和乌洛托品溶液中，所述第二锌源前驱体溶液采用六水合硝酸锌作为锌源，第二锌源前驱体溶液和乌洛托品溶液的浓度均控制在10mm～35mm。

16、作为一种优选方案，所述水热反应在水热釜中进行，水热温度控制在60℃～100℃，保持6h～10h。

17、作为一种优选方案，所述将水热反应后的基板退火去除聚苯乙烯球薄膜和氧化锌晶种的步骤，退火在马弗炉中进行，退火温度为350℃～500℃，升温速率为5℃/分钟，保持时间为1～5小时。

18、一种所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料在二氧化氮气体传感器中的应用。

19、相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

20、首先，选用了聚苯乙烯球作为孔状图案的可控掩模板，通过聚苯乙烯球的自组装可以得到排布紧密规整的球状层膜。其次，通过简单的一步水热法在聚苯乙烯球排列的间隙生长氧化锌纳米线阵列，这一过程操作简单，原料廉价且重现性高。最后，通过简单的退火处理即可除去聚苯乙烯球模板和晶化氧化锌纳米线，得到图案化氧化锌气敏纳米阵列材料。整个过程的成本低、操作简单且制备出的氧化锌结构新颖。将所得氧化锌用于二氧化氮气体检测，可在150℃下对50ppm二氧化氮达到100.5的响应值，具有很好的检测性能。

技术特征：

1.一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料，其特征在于：呈规则蜂窝状排布，蜂窝间隙处生长有氧化锌纳米线，形成氧化锌纳米线阵列，蜂窝底部生长有氧化锌纳米管；所述氧化锌纳米线的直径为40nm～60nm，蜂窝的孔状直径为1μm，氧化锌纳米管的直径为40nm～60nm。

2.一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述第一锌源前驱体溶液采用无水醋酸锌作为锌源，将浓度为5mm的无水醋酸锌溶液溶解在无水乙醇中，搅拌形成第一锌源前驱体溶液。

4.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述基板为硅片或叉指电极，旋涂速度为1000rpm/s～2000rpm/s，旋涂时间为10s～30s。

5.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述将表面旋涂有第一锌源前驱体溶液的基板进行升温的步骤，在马弗炉中进行，温度为350℃～450℃，升温速率为5℃/分钟，保持时间为30分钟。

6.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1:1；

7.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述等摩尔比的第二锌源前驱体溶液和乌洛托品溶液中，所述第二锌源前驱体溶液采用六水合硝酸锌作为锌源，第二锌源前驱体溶液和乌洛托品溶液的浓度均控制在10mm～35mm。

8.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应在水热釜中进行，水热温度控制在60℃～100℃，保持6h～10h。

9.根据权利要求2所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，所述将水热反应后的基板退火去除聚苯乙烯球薄膜和氧化锌晶种的步骤，退火在马弗炉中进行，退火温度为350℃～500℃，升温速率为5℃/分钟，保持时间为1～5小时。

10.一种如权利要求1所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料在二氧化氮气体传感器中的应用。

技术总结
一种图案化氧化锌气敏纳米阵列材料、制备方法及应用，所述图案化氧化锌气敏纳米阵列材料呈规则蜂窝状排布，蜂窝间隙处生长有氧化锌纳米线，形成氧化锌纳米线阵列，蜂窝底部生长有氧化锌纳米管；氧化锌纳米线的直径为40nm～60nm，蜂窝的孔状直径为1μm，氧化锌纳米管的直径为40nm～60nm。制备方法的步骤包括溶胶法制备氧化锌纳米颗粒；聚苯乙烯球自组装法制备图案掩模板；水热法生长氧化锌纳米线阵列；煅烧法去除掩模板。整个过程的成本低、操作简单且制备出的氧化锌结构新颖。将所得氧化锌用于二氧化氮气体检测，可在150℃下对50ppm二氧化氮达到100.5的响应值，具有很好的检测性能。

技术研发人员：赵宇鑫,郭盟亚
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14