CN103469202A

CN103469202A - 一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法

Info

Publication number: CN103469202A
Application number: CN2013103437275A
Authority: CN
Inventors: 杨亚杰; 张鲁宁; 杨文耀; 张波; 徐建华; 李世彬; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明实施例公开了一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法，包括：制备氧化石墨烯分散溶液；用LB成膜法，用该氧化石墨烯分散溶液形成纳米薄膜，然后将所述纳米薄膜转移到气敏器件上；对纳米薄膜进行还原处理；然后在还原处理后的纳米薄膜上蒸镀导电聚合物层。根据本发明的方法制造的气体敏感纳米薄膜具有良好的气敏性能。

Description

一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法

技术领域

本发明涉及气体敏感薄膜材料领域，尤其是涉及一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法。

背景技术

近年来，气敏传感器的研究与开发不断取得新的进展，同时由于人们对环境污染问题的日益关注，使对大气中微量环境污染物质的检测工作逐步深入，响应快、灵敏度高的气敏材料就成为传感器领域研究的前沿课题。同时针对二氧化氮等气体是大气中对环境和人类健康危害十分严重的污染物之一。因此，研制实用及低成本的二氧化氮气体敏感薄膜的重要性就显得尤为突出。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制造能够形成具有良好气敏性能的气体敏感复合纳米薄膜的方法。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法，其特征在于，包括：将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，形成氧化石墨烯分散溶液；将所述氧化石墨烯分散溶液滴加于LB膜槽中的超纯水表面，使氧化石墨烯分散铺展于所述超纯水表面；用滑障将铺展于所述超纯水表面的氧化石墨烯压缩到成膜模压，形成纳米薄膜，然后将所述纳米薄膜转移到气敏器件上；对所述纳米薄膜进行还原处理；在还原处理后的所述纳米薄膜上蒸镀导电聚合物层。

本发明一个实施例中，所述溶剂为甲醇与超纯水的混合溶液，其中所述混合溶液中甲醇与超纯水的体积比为5:1至6:1。

本发明一个实施例中，所述对所述纳米薄膜进行还原处理包括：将形成了所述纳米薄膜的所述气敏器件置于170至200摄氏度的水蒸气气氛中保持3至5小时。

本发明一个实施例中，所述气敏器件为叉指电极或者有机薄膜晶体管。

本发明一个实施例中，所述氧化石墨烯分散溶液中氧化石墨烯的浓度为0.5至1毫克/毫升。

本发明一个实施例中，所述在还原处理后的所述纳米薄膜上蒸镀导电聚合物层包括：将进行还原处理后的形成了所述纳米薄膜的所述气敏器件置于具有导电聚合物气氛的高真空成膜设备中，在90至100摄氏度下沉积60至70分钟，从而在所述纳米薄膜上形成导电聚合物层。

本发明一个实施例中，所述导电聚合物为六噻吩或者聚吡咯。

根据本发明的方法制造的气体敏感复合纳米薄膜具有良好的气敏性能。此外，由于有机纳米材料在溶剂中具有良好的分散性，在LB膜仪器的控制下具有较好的成膜性能，能够获得高密度、均匀一致的复合薄膜材料，并且可以实现大面积成膜。而且气体敏感纳米薄膜的厚度可以通过沉积不同的层数来进行调控。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造气体敏感复合纳米薄膜的方法的流程示意图。

图2是LB成膜设备的示意图。

图3是蒸镀成膜设备的示意图。

具体实施方式

本发明的一个实施例中，一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法包括如图1所示的步骤。

步骤10：制备氧化石墨烯分散溶液。

本发明的实施例中，可以将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，从而获得所需的氧化石墨烯分散溶液。这里，氧化石墨烯可以是通常的氧化石墨烯，也可以是氮掺杂的氧化石墨烯。

一个实施例中，该有机溶剂可以是可以为甲醇与超纯水混合溶液，其中该混合溶液中，甲醇与超纯水的体积比可以为5:1至6:1。

一个实施例中，该氧化石墨烯分散溶液的浓度可以为0.5~ 1mg/ml（毫克/毫升）。

步骤12：采用LB成膜法形成纳米薄膜。

本发明的实施例的方法中，可以提供气敏器件，采用LB膜法在该气敏器件上形成纳米薄膜。

因此，步骤2中，提供气敏器件。一个实施例中，该气敏器件可以是叉指电极或者有机薄膜晶体管。

本步骤中，将步骤10中获得的氧化石墨烯分散溶液滴加到LB成膜设备的LB膜槽中的亚相表面，使得氧化石墨烯粒子分散铺展于该亚相表面。这里，亚相可以是适于供有氧化石墨烯粒子分散铺展于其上的液体，例如可以是超纯水。

此时，当有氧化石墨烯分散溶液滴加到亚相表面后，有机溶剂会带着氧化石墨烯粒子在亚相表面分散铺展开。经过一定时间之后，有机溶剂挥发，这样，留下其中的氧化石墨烯粒子分散铺展于亚相的表面上。

然后，压缩铺展于亚相表面的氧化石墨烯粒子，从而在亚相表面形成氧化石墨烯单分子层。通常，LB成膜方法可以在LB成膜设备（下文详述）中进行，此时，当有机溶剂挥发后，在LB成膜设备中，使用滑障压缩亚相表面的氧化石墨烯单分子层到成膜膜压，从而在亚相表面形成致密的纳米薄膜。

最后，将该纳米薄膜转移到气敏器件上，从而在气敏器件上形成纳米薄膜层。将有该纳米薄膜转移到气敏器件上的方法可以使用适合的LB膜转移方法，比如垂直提拉法、水平附着法或者亚相降低法等等。这些方法是LB成膜方法中的常用方法，在此不再赘述。

此外，在气敏器件上形成的纳米薄膜可以为一层，也可以为多层，可以根据实际的需要而灵活设定，比如3层、5层或者10层等等。氧化石墨烯粒子的尺寸也可以根据实际情况的需要而灵活设置。

如前文所述，LB成膜方法可以在LB成膜设备中进行。图2图示出了一个实施例中的LB成膜设备的俯视示意图，其中亚相2（例如，去离子水）盛于LB膜槽1中，氧化石墨烯粒子层3形成于亚相2的表面上，LB膜槽滑障5压缩氧化石墨烯粒子层3到成膜膜压，气敏器件4连接到LB膜槽转动轴6，该LB膜槽转动轴6驱动气敏器件4运动，从而用垂直提拉法将有机纳米材料粒子膜3转移到气敏器件4上。

步骤14：进行还原处理。

形成了所需要的层数的纳米薄膜之后，还可以包括还原处理步骤，即对形成的纳米薄膜进行还原处理。本发明的实施例中，该还原处理可以是将形成了纳米薄膜的气敏器件置于特定温度下的水蒸汽中特定预定时间。这样，使得纳米薄膜中的氧化石墨烯被部分还原。

本发明一个实施例中，该还原处理可以是将形成了纳米薄膜的气敏器件置于170至200摄氏度的水蒸气气氛中保持3至5小时。

经过还原处理后，纳米薄膜具有一定的导电性。

步骤16：在纳米薄膜上蒸镀形成导电聚合物层。

本发明的实施例中，在气敏器件上形成了纳米薄膜并且经过还原处理之后，使用蒸镀在纳米薄膜上形成导电聚合物层。

本发明的实施例中，可以将具有经过还原处理了的纳米薄膜的气敏器件置于有机多功能高真空成膜设备，并且使该高真空成膜设备中形成导电聚合物气氛，然后在一定温度下沉积一定时间，从而在经还原处理的纳米薄膜之上蒸镀一层导电聚合物。

例如，一个实施例中，在还原处理后的所米薄膜上蒸镀导电聚合物层可以包括：将进行还原处理后的形成了纳米薄膜的气敏器件置于具有导电聚合物气氛的高真空成膜设备中，在90至100摄氏度下沉积60至70分钟，从而在该纳米薄膜上形成导电聚合物层。

这里，导电聚合物可以是六噻吩或者聚吡咯。导电聚合物气氛可以通过本领域内常用的方式获得，例如，导电聚合物气氛的获得可以是通过将导电聚合物加入有机多功能高真空成膜设备中，在90至100摄氏度的温度下，从而能够在设备中形成导电聚合物分子气氛。导电聚合物分子遇到温度相对较低的气敏器件（其上具有还原处理后的纳米薄膜层），就会在纳米薄膜层之上沉积一层导电聚合物。

如前文所述，蒸镀成膜法可以在有机多功能高真空成膜设备中进行。图3图示出了一个实施例中的蒸镀成膜设备10的示意图，其中导电聚合物9受到高温蒸发形成导电聚合物气氛，其遇到温度相对较低的气敏器件7（其上具有还原处理后的纳米薄膜层8）沉积成膜。

例如，一个实施例中，一个具体的制造气体敏感复合纳米薄膜的方法的实施例的详细步骤包括：

①将氧化石墨烯（GO）溶于体积比为5:1的甲醇/超纯水混合溶剂中，氧化石墨烯的浓度为0.5~ 1mg/ml，形成分散良好的氧化石墨烯溶液；

②采用100μl（微升）的微量进样器抽取8ml(毫升)的溶液①滴加于LB膜槽中的亚相表面，使得GO在亚相表面进行铺展；

③控制LB膜槽滑障压缩亚相表面的GO至成膜膜压，GO成膜膜压为15～30mN/m（毫牛/米）；

④采用LB膜水平成膜方式在表面清洁的气敏器件上沉积GO薄膜；

⑤将GO薄膜在95～100℃下烘干，然后置于190至200摄氏度温度下的水蒸汽中2至3小时,氧化石墨烯(GO)被部分还原；

⑥获得的薄膜置于有机多功能高真空成膜设备中，导电聚合物保持温度为100摄氏度，其变为气态，并使其在还原所得纳米薄膜材料沉积上60至70分钟。从而在薄膜上蒸镀一层导电聚合物，最终获得气体敏感复合纳米薄膜。

本发明的实施例中，使用有机纳米材料与导电聚合物的气体敏感复合纳米薄膜，形成的气体敏感复合纳米薄膜具有良好的气体敏感特性。该有机纳米材料在溶剂中具有良好的分散性，在LB成膜仪器的控制下具有较好的成膜性能，能够获得高密度、均匀一致的复合薄膜材料，并且可以实现大面积成膜。气体敏感复合纳米薄膜的厚度可以通过沉积不同的有机纳米材料薄膜的层数来进行调控，也可以通过蒸镀时间进行调控。

本发明实施例的方法制备的气体敏感复合纳米薄膜，可以实现薄膜的良好气敏性能和一定的电导率。该薄膜可以达到各种气敏传感器的需求。并且该薄膜的制备方法合理简单，易于操作。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种制造气体敏感复合纳米薄膜的方法，其特征在于，包括：

将氧化石墨烯分散于有机溶剂中，形成氧化石墨烯分散溶液；

将所述氧化石墨烯分散溶液滴加于LB膜槽中的超纯水表面，使氧化石墨烯分散铺展于所述超纯水表面；

用滑障将铺展于所述超纯水表面的氧化石墨烯压缩到成膜模压，形成纳米薄膜，然后将所述纳米薄膜转移到气敏器件上；

对所述纳米薄膜进行还原处理；

在还原处理后的所述纳米薄膜上蒸镀导电聚合物层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述溶剂为甲醇与超纯水的混合溶液，其中所述混合溶液中甲醇与超纯水的体积比为5:1至6:1。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述对所述纳米薄膜进行还原处理包括：将形成了所述纳米薄膜的所述气敏器件置于170至200摄氏度的水蒸气气氛中保持3至5小时。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述气敏器件为叉指电极或者有机薄膜晶体管。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氧化石墨烯分散溶液中氧化石墨烯的浓度为0.5至1毫克/毫升。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述在还原处理后的所述纳米薄膜上蒸镀导电聚合物层包括：将进行还原处理后的形成了所述纳米薄膜的所述气敏器件置于具有导电聚合物气氛的高真空成膜设备中，在90至100摄氏度下沉积60至70分钟，从而在所述纳米薄膜上形成导电聚合物层。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导电聚合物为六噻吩或者聚吡咯。