一種用于測定乙醇蒸氣的氣敏傳感器元件及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于有機(jī)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于測定無水乙醇蒸氣的氣敏傳感器的氣敏元件，以及該氣敏元件的制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]酒精學(xué)名乙醇，是生活中酒的主要成分之一，具有一定的消菌殺毒的作用，隨著人們生活水平的提高，人們在舉家歡慶的同時(shí)，酒也成為宴席上不可缺少的成分之一。但也因此給人們帶來了很多隱患如飲酒過量、酒駕等；除此之外，工業(yè)中也會(huì)產(chǎn)生大量的乙醇蒸氣，吸入一定的乙醇蒸氣對(duì)肺組織具有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性，對(duì)人體的危害極大;并且乙醇蒸氣達(dá)到一定濃度時(shí)其與空氣混合后能引起爆炸，造成大的事故，對(duì)人類及環(huán)境造成極大的危害。因此能夠準(zhǔn)確、快速對(duì)乙醇蒸氣進(jìn)行檢測顯得非常重要。目前檢測有害的有機(jī)蒸氣最有效的方式之一是氣敏傳感器。
[0003]乙醇有機(jī)蒸氣的氣敏傳感器所用的材料一般分為金屬氧化物半導(dǎo)體材料和有機(jī)半導(dǎo)體材料?，F(xiàn)在常用于測試有機(jī)蒸氣的材料大多是無機(jī)物，而且大量研究表明，金屬氧化物半導(dǎo)體材料傳感器不足之處在于工作溫度高，溫度一般在300?600°C，消耗功率大，成本較高，大大限制了其實(shí)際應(yīng)用；而常用的有機(jī)半導(dǎo)體材料主要有酞菁類、撲啉類等，這些化合物由于具有大的共軛體系，其分子內(nèi)部及大環(huán)之間具有強(qiáng)烈的相互作用，具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及獨(dú)特的光電性質(zhì)，使其在電、磁、光等性質(zhì)備受研究者的青睞，并且有機(jī)半導(dǎo)體材料傳感器具有較快的響應(yīng)恢復(fù)速度、可在常溫或接近常溫下工作、成本低廉且易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了其可實(shí)用性，使其氣體傳感器領(lǐng)域中占有非常重要的地位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于測定乙醇蒸氣的氣敏傳感器元件，以及該氣敏元件的制備方法和應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是:
[0006]—種用于測定乙醇蒸氣的氣敏傳感器元件，包含ΙΤ0導(dǎo)電玻璃和叉指電極，所述叉指電極刻蝕在ΙΤ0導(dǎo)電玻璃上，在叉指電極表面設(shè)置2,3,9,10,16,17,24,25-八(辛烷氧基)酞菁銅CuPdOCsHnh膜涂層，在2，3，9，10，16，17，24，25-八(辛烷氧基)酞菁銅CuPdOCsHnh膜涂層上設(shè)置2，3，9，10，16，17，24，25-八(羰基辛烷氧基)酞菁銅CuPc (COOCsHn) 8膜涂層。
[0007]優(yōu)選的，所述2，3，9，10，16，17，24，25-八(辛烷氧基)酞菁銅0^(0(:8!117)8膜涂層和2，3，9，10，16，17，24，25-八(羰基辛烷氧基)酞菁銅(:成(3(0)0(:8!117)8膜涂層的層數(shù)比為1:
Ιο
[0008]優(yōu)選的，所述2，3，9，10，16，17，24，25-八(辛烷氧基)酞菁銅0^(0(:8!117)8膜涂層的層數(shù)為5?30層，所述2，3，9，10，16，17，24，25-八(羰基辛烷氧基)酞菁銅CuPdCOOCsHds膜涂層的層數(shù)為5?30層。
[0009]上述氣敏傳感器元件的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)在ITO導(dǎo)電玻璃上刻蝕叉指電極；
[0011](2)將2，3，9，10，16，17,24,25-八(辛烷氧基)酞菁銅固體CuPc(OC8H17)8加入三氯甲烷中，配制成CuPc(OC8H17)8溶液，CuPc(OC8H17)8溶液濃度為I X 10—6mol.L—1?I X 10—5mo I.L—1;將2，3，9，1，16，17，24，25-八(羰基辛烷氧基)酞菁銅固體CuPc (COOC8Hi7) 8加入三氯甲烷中，配制成CuPc(COOC8H17)8溶液，CuPc(COOC8Hn)8溶液濃度為I X 10—6mol.L—1?IX10—5mol.L—S
[0012](3)將培養(yǎng)皿用二次水清洗干凈，然后將30?80mL的二次水緩緩倒入到培養(yǎng)皿中，再在培養(yǎng)皿的中心處注入1.0?1.0mL的已經(jīng)配制好的CuPc (OC8Hi7) 8溶液，然后將刻蝕有叉指電極的ITO導(dǎo)電玻璃垂直緩慢的蘸取化合物CuPc (OC8Hi7) 8形成的分子膜，平放，使得ITO導(dǎo)電玻璃上的溶劑自然蒸發(fā)，如此過程再重復(fù)5?30次；
[0013](4)接下來，再次將表面皿清洗干凈，然后再將30?SOmL的二次水緩緩倒入到培養(yǎng)皿中，然后在培養(yǎng)皿的中心處注入1.0?1.0mL的已經(jīng)配制好的CuPc (COOC8Hi7) 8溶液，然后將上次蘸取的ITO導(dǎo)電玻璃繼續(xù)再垂直緩慢的蘸取化合物CuPc(COOC8H17)8形成的分子膜，平放，使得ITO導(dǎo)電玻璃上的溶劑自然蒸發(fā)，如此過程再重復(fù)5?30次，即得到具有CuPc(COOC8Hi7) s/CuPc (OC8Hi7) 8異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器元件。
[0014]上述步驟(I)中，ITO導(dǎo)電玻璃在刻蝕叉指電極前需進(jìn)行清洗，過程如下:將ITO導(dǎo)電玻璃在超聲條件下分別用不同極性的溶劑甲苯、丙酮、無水乙醇、二次水依次超聲清洗十分鐘，每種溶劑清洗三次;之后真空干燥備用。
[0015]上述氣敏傳感器元件可在制備用于測定乙醇蒸氣的氣敏傳感器方面應(yīng)用。
[0016]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0017]本發(fā)明制備的具有CuPcKOOCsHMs/CuPdOCsHMs有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)氣敏材料的氣敏元件，在室溫下對(duì)100-1400ppm范圍內(nèi)無水乙醇具有良好的響應(yīng)，且無水乙醇濃度與靈敏度具有良好的線性規(guī)律。其原因是:處于上層的化合物CuPc (COOC8Hi7) 8具有較多的氣體吸附位點(diǎn)，處于下層的化合物CuPc (OC8Hi7) 8具有較好的導(dǎo)電性，在兩種優(yōu)勢的協(xié)同作用下，CuPcKOOCsHnWCuPdOCsHMs有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)氣敏材料對(duì)無水乙醇展現(xiàn)了較好的氣敏響應(yīng)。本發(fā)明使用的氣敏材料具有結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單且易于控制，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
[0018]采用本發(fā)明氣敏元件制得的無水乙醇?xì)饷魝鞲衅骶哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):
[0019 ] (I)本發(fā)明氣敏傳感器能夠在室溫下進(jìn)行，無安全隱患。
[0020](2)本發(fā)明氣敏傳感器對(duì)有害氣體無水乙醇的響應(yīng)濃度低至lOOppm，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間快速，穩(wěn)定性好。
[0021](3)本發(fā)明氣敏傳感器結(jié)構(gòu)及制備工藝簡單，成本低廉，便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
【附圖說明】
[0022]圖1為無水乙醇?xì)饷魝鞲衅髟慕Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為化合物CuPc (COOC8Hi7) 8(I)和CuPc (OC8Hi7 )8(2)分子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為有機(jī)異質(zhì)結(jié)的制備過程示意圖；
[0025]圖4為無水乙醇?xì)饷魝鞲衅髦袣饷舨牧系腁FM圖；
[0026]圖5為無水乙醇?xì)饷魝鞲衅鞯碾娏?電壓的曲線(室溫條件)；
[0027]圖6為無水乙醇?xì)饷魝鞲衅鲗?duì)無水乙醇的響應(yīng)恢復(fù)曲線(室溫條件)；
[0028]圖7為無水乙醇?xì)饷魝鞲衅鲗?duì)無水乙醇的響應(yīng)與無水乙醇濃度關(guān)系曲線；
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0030]本發(fā)明提供一種用于測定乙醇蒸氣的氣敏傳感器元件，其包含ΙΤ0導(dǎo)電玻璃和叉指電極，所述叉指電極刻蝕在ΙΤ0導(dǎo)電玻璃上，在叉指電極表面設(shè)置2 ,3,9,10,16,17,24,25-八(辛烷氧基)酞菁銅膜涂層，在2，3，9，10，16，17，24，25-八(辛烷氧基)酞菁銅膜涂層上設(shè)置2，3，9，10，16，17，24，25-八(羰基辛烷氧基)酞菁銅膜涂層。所述2，3，9，10，16，17，24，25-八(辛烷氧基)酞菁銅膜涂層和2,3,9,10,16,17,24,25-八(羰基辛烷氧基)酞菁銅膜涂層的層數(shù)比為1:1。優(yōu)選所述2，3，9，10，16，17，24，25-八(辛烷氧基)酞菁銅膜涂層的層數(shù)為10層，所述2，3，9，10，16，17，24，25_八(羰基辛烷氧基)酞菁銅膜涂層的層數(shù)為10層。
[0031 ]有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)氣敏材料的制備方法，如圖3所示。
[0032](1)首先稱取化合物CuPdCOOCsHnMl)約1.8mg，加入100mL容量瓶中，加入氯仿至滿刻度，即配成濃度為10—5mol/L的溶液;移取50mL上述溶液于100mL容量瓶中，加入CHC13至刻度，即配成濃度為5X10—6mol/L的溶液；移取20mL上述溶液于100mL容量瓶中，加入CHC13至刻度，即配成濃度為10—6mol/L的溶液。稱取約1.6mg化合物CuPdOCsHuMS)于100mL容量瓶中，加入氯仿至滿刻度，即配成濃度為10—5mol/L的溶液，再按照上述步驟依次獲得5 X 10—V) 1 /L、10—6mo 1 /L的溶液。配制的兩種濃度的溶液待用。
[0033](2)將直徑為9.5cm，高為1.5cm，體積為106.3cm3的培養(yǎng)皿用二次水清洗干凈，然后將65mL的二次水緩緩倒入到培養(yǎng)皿中，然后在培養(yǎng)皿的中心處注入5.0mL的已經(jīng)配制好的CuPdOCsHnM〗)的固定溶液，等待lmin后，將固定好的刻蝕有叉指電極的ΙΤ0導(dǎo)電玻璃基片垂直緩慢的蘸取CuPdOCsHnhU)形成的分子膜，然后使得ΙΤ0導(dǎo)電玻璃基片上的溶劑自然蒸發(fā)，反復(fù)上述操作后共得到CuPc(0C8H17)8(2)的單分子層數(shù)為10層。
[0034](3)接下來，再次將表面皿清洗干凈，然后再將65mL的二次水緩緩倒入到培養(yǎng)皿中，然后在培養(yǎng)皿的中心處注入5.0mL的已經(jīng)配制好的CuPc (COOCsHn)8(1)的固定溶液，等待lmin后，然后將上次蘸取的ΙΤ0導(dǎo)電玻璃基片繼續(xù)再垂直緩慢的蘸取化合物CuPc(COOCsHit) 8(1)中形成的分子膜，平放，使得ITO基片上的溶劑自然蒸發(fā)，反復(fù)上述操作后共得到CuPdCOOCsHnMl)的單分子層數(shù)為10層，從而得到了具有CuPdCOOCsHnWCuPc(OCsHnh異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器元件。
[0035]同樣，采用上述步驟也可制得上層為CuPdOCsHnh，下層為CuPdCOOCsHnh的具有CuPc ( OCsHit ) s/CuPc (⑶OCsHn) 8異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器元件。而對(duì)于CuPc ( OCsHit ) s/CuPc(COOCsHnh這種有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)氣敏材料來說上層化合物CuPdOCsHnhO具有較少的氣體吸附位點(diǎn)，處于下層的化合物CUPc(C00C8H17)8(l)具有較差的導(dǎo)電性，這樣的組合反而使得氣敏性質(zhì)變得更差。
[0036]實(shí)驗(yàn)例1單組分及其異質(zhì)結(jié)材料的AFM
[0037]按照以上本發(fā)明的QLS法步驟，分別得到2層CuPc ( COOCsHit ) 8 (1)、2層CuPc ( OCsHit ) 8(2)、1 層CuPc ( COOCsHit ) s/CuPc (OCsHn) s和 1 層CuPc (OCsHn) s/CuPc (C00C8Hi7) 8的QLS膜進(jìn)行AFM形貌的測試，結(jié)果如圖4所示。原子力顯微鏡在QLS膜方面提供了更多的信息，分子