新技术:乙醇提升纳米传感器质量 降低成本

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  纳米传感器的应用越来越广,不过,原有的制造技术因为良率低、工艺复杂,使其成本居高不下。而澳洲一所大学研发的新技术,大大降低了纳米传感器的生产成本。

新技术:乙醇提升纳米传感器质量 降低成本

  澳洲麦觉理大学开发的新技术,解决了传感器中纳米颗粒间隙过大、制造过程中需要经过长时间高温加热才能开始使用的问题。他们的做法很简单,就是在纳米传感器上滴上几滴乙醇(酒精)。该研究结果8月初发布在《先进功能材料》上。

  这一新技术的得来实属偶然。当时,麦觉理大学工程学院纳米技术实验室的研究生陈杰登在清洗坩埚时,不慎将一些高浓度乙醇溶剂溅到正在改善由氧化锌纳米颗粒组成的紫外线纳米传感器“太阳手表”上。

  当他发现乙醇喷洒到该传感器时,下意识地认为仪器已经被乙醇溶剂损坏。因此他深入检查传感器是否出现异常,随后有了这次惊人的发现。

  这种纳米传感器,主要由无数的氧化锌纳米粒子组成,在显微镜下观察能看到这些粒子组成一个个的树突状纳米团簇。由于它包含巨大的表面积与体积比,使得它们能够对物质进行高灵敏度的检测。

  不过,该纳米传感器中的纳米颗粒与纳米颗粒之间的化学键能过于薄弱,使得纳米颗粒之间的空隙过多,无法有效使传感器正常传输电流(提高电阻)和运作。因此,需要通过基底加热,让纳米粒子能够更有效地融合在一起,以此降低缺陷和原子接口之间的干扰,使纳米传感器能够有效运作。

  先前也有通过氩离子轰击、脉冲激光,让纳米粒子能够更有效地融合在一起的方法,但这些方法却有一些缺陷。例如,基底加热需要长达12小时,而氩离子轰击、脉冲激光难以在三维(3D)和大规模上均匀应用,这些缺陷限制了商业半导体纳米结构器件的前景。

  这次科学家通过乙醇的诱导毛细管特性,在氧化锌纳米团簇中滴入5小滴乙醇,使得DNC薄膜中相邻的氧化锌树突状的纳米团簇顶部出现合并现象。

  随着乙醇干燥后,均匀分布的纳米微簇阵列的独特图案底部也会合并形成类似独特的岛屿或树桩的结构,且团簇与团簇之间的缝隙会变得更狭小。

  他们还观察到DNC薄膜厚度减少、孔隙率减少、平均颗粒直径增加,以及非常小纳米颗粒数量的略为减少。

  对此,实验团队检测到其形态、结构、光学和电子特性也发生显着变化,极大改善了紫外探测器的光响应效率,减少了电荷传输不良的限制。

  另外,他们也发现2小滴(过少)的乙醇溶剂无法对DNC薄膜发生作用,而10小滴(过多)则会严重破坏DNC薄膜结构,形成过多的裂纹。

  麦觉理大学努辛纳西里副教授对该校的新闻室解释,“目前许多材料不能用于制造传感器,在于它们无法承受熔炉中高温,因为热量会破坏传感器中的一些聚合物。例如,含有微小电极的纳米传感器(如纳米电子设备中的电极)可能被高温熔化。”

  她说,“在传感层上添加一滴乙醇且不用放入烤箱,将有助于纳米颗粒表面的原子四处移动,增加颗粒与颗粒之间的结合,这使得颗粒之间的间隙缩小。”“当杰登发现这个结果时,我们仔细地尝试了所有不同数量的乙醇,最终找到最合适的量。发现过少的乙醇对于传感器不起作用,太多则溶解掉传感层。这证明乙醇极大地提高了我们传感器的激活效率(一分钟内激活),且超出了传感器加热12小时后得到的效果。”

  最后纳西里教授说:“我们开发了一种使纳米传感器发挥作用的方法,并用紫外线传感器,以及检测二氧化碳、甲烷、氢气等的纳米传感器对其进行了相同的乙醇滴量测试,发现效果是相同的。”

  目前该团队正在为这一技术申请专利。这一新技术有可能在纳米传感器领域引起巨大反响。

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