CN107631664A - 含能MOFs薄膜半导体桥及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种含能MOFs薄膜半导体桥及其制备方法。所述的含能MOFs薄膜半导体桥采用纳米喷涂的方法将MOFs组装到半导体桥芯片表面形成MOFs薄膜制得，具体是配置硝酸钴的乙醇溶液以及3‑硝基‑1H‑1,2,4‑三唑的乙醇溶液，采用纳米喷涂方法将硝酸钴溶液，3‑硝基‑1H‑1,2,4‑三唑溶液以及乙醇依次循环喷涂在半导体桥芯片上，干燥后半导体桥芯片上得到一层含能MOFs薄膜。本发明的含能MOFs薄膜半导体桥通过增添的含能MOFs薄膜能够在点火过程中产生高温等离子体与高温飞溅物的复合火焰，提高输出能量并且增加对一些对等离子体不敏感的药剂，如斯蒂芬酸铅和叠氮化铅的点火能力，具有高发火能量、低感度，高安全性的优点。

Description

含能MOFs薄膜半导体桥及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体桥技术领域，涉及一种含能MOFs薄膜半导体桥及其制备方法。
背景技术
半导体桥是一种新型发火换能元件，是一种以半导体芯片为核心通过将电能转换为高温等离子体，从而引发火工药剂的微型火工品。半导体桥集成了微电子工艺的电点火设备，具有高瞬发度、高安全性、高可靠性、低发火能量以及能与数字逻辑电路组合等优点。近年来研究发现，半导体桥产生高温等离子体以微对流的方式点燃火工药剂，当点燃一些对等离子体不敏感的火工药剂时，效果很差，同时由于其瞬发性导致其发火能量不高。
为了解决半导体桥点火能力上的短板，目前通用的办法是在半导体桥表面增加一层含能薄膜。最早美国专利6810815B2采用磁控溅射等方法将Zr、Hf、Al和CuO、Fe2O3、MnO2或Zr-Ti、B-Ti等复合含能桥膜溅射到半导体桥上，当电流经过半导体桥时，阻抗层反生焦耳反应产生大量的热，从而使金属/氧化物层发生化学反应释放能量。此外由于增加了反应性物质，反应过程中产生了大量的热与火花，能够点燃相距3mm远的药剂，但是该反应是通过化学反应放热，产生火花需要较长的时间，同时由于其结构的复杂性，制作成本也较高。中国专利200580033640.1发明了半导体桥上由多组金属层(Ti、Zr、Au等)和氧化物(SiO2、TiO2、Al2O3等)层交替重叠(最上层为金属层，最下层为金属氧化物层)的半导体桥，通过加热金属层，金属在数微秒内因超过沸点汽化而产生细微爆炸形成火花。由于该半导体复合桥特殊的多层结构增大了火花量，提高了点火可靠性，并且由于不通过化学反应，因此降低了点火反应时间。但是多层金属半导体复合桥结构比传统的多晶硅半导体桥复杂，制作成本也较高。因此发展一种制备方法简单、生产周期短、成本低廉的含能半导体桥是半导体桥领域里的研究重点。
含能金属有机框架化合物是由有机含能配体与金属离子通过一定的配位方式组装而成的一类化合物。虽然近几年已经有部分含能金属有机框架化合物被报道出来，但是都是以粉体的形式被利用。在文献【Angew Chem Int Ed,2013,52(52):14031-14035】中，庞思平等人合成了[Cu(atrz)2(NO3)2]n含能MOFs粉体材料并对其热力学性质进行了研究，证明了该含能MOFs材料具有很高的热稳定性与安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、对等离子体不敏感的药剂具有良好点火能力的含能MOFs薄膜半导体桥及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
含能MOFs薄膜半导体桥，采用纳米喷涂的方法将MOFs组装到半导体桥芯片表面形成MOFs薄膜。
上述含能MOFs薄膜半导体桥的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，以乙醇为溶剂，分别配置浓度为0.1～2mmol/L的硝酸钴溶液和浓度为0.1～0.8mmol/L的3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液；
步骤2，采用纳米喷涂方式，依次循环将硝酸钴溶液与3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液喷涂在半导体桥上，每次循环后，乙醇喷涂，去除未反应物质，在半导体桥芯片表面自组装MOFs薄膜，得到含能MOFs薄膜半导体桥。
优选地，步骤1中，所述的硝酸钴溶液的浓度为1mmol/L。
优选地，步骤1中，所述的3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液的浓度为0.4mmol/L。
优选地，步骤2中，所述的MOFs薄膜为基于配体3-硝基-1H-1,2,4-三唑的含能[Co(ntz)]n薄膜，纳米喷涂条件为：硝酸钴溶液喷涂时间为5～20s，3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液喷涂时间为10-30s，乙醇喷涂时间为1～3s，循环次数为60～200次。
优选地，步骤2中，喷涂压力为0.2bar，喷嘴距离为0.1m。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的含能MOFs薄膜半导体桥通过增添的含能MOFs薄膜能够在点火过程中产生高温等离子体与高温飞溅物的复合火焰，提高输出能量并且增加对一些对等离子体不敏感的药剂，如斯蒂芬酸铅和叠氮化铅的点火能力；
(2)含能MOFs薄膜由于其感度低，可以保持半导体桥高安全性。
附图说明
图1为含能MOFs薄膜半导体桥的结构示意图。
图2为含能MOFs薄膜半导体桥制备喷涂过程示意图。
图3为实施例1制得的[Co(ntz)]n型MOFs薄膜的SEM图。
图4为实施例1制得的含能MOFs薄膜半导体桥的点火高速摄影图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
含能MOFs薄膜半导体桥的制备：
步骤1：称取0.291g硝酸钴加入到1L乙醇溶液中，磁力搅拌2h；称取0.046g 3-硝基-1H-1,2,4-三唑加入到1L乙醇溶液中，磁力搅拌2h；
步骤2：将上述溶液分别加入到纳米喷雾器中，与半导体桥芯片保持相距0.1m。先喷涂硝酸钴溶液10秒钟后静止5秒，接着在相同位置喷雾3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液20秒后静止5秒，之后喷涂3秒乙醇溶液去除未反应物质。循环重复以上操作100次。喷雾器压力为0.2bar，喷嘴距离为0.1m。干燥后得到附有一层[Co(ntz)]n型MOFs薄膜的含能半导体桥。
图1为含能MOFs薄膜半导体桥的结构示意图，1为含能[Co(ntz)]n MOFs薄膜，2为半导体桥芯片。
图2为含能MOFs薄膜半导体桥的主要喷涂步骤示意图，1为硝酸钴溶液，2为3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液，3为乙醇溶液。
图3为实施例1制得的[Co(ntz)]n型MOFs薄膜的SEM图，(a)为放大2000倍，(b)为放大8000倍。由图3可以明显看出MOF呈现出晶体结构，排列整齐，每个晶体块大小约为2微米。
图4为实施例1制得的含能MOFs薄膜半导体桥的点火高速摄影图。(a)为50V电压下裸半导体桥点火高速摄影图，(b)为含能MOFs薄膜半导体桥为点火高速摄影图，间隔为33ms。从图中可以看出，含能MOFs薄膜半导体桥相对裸半导体桥火焰高度、火焰强度以及火焰持续时间都有明显的提升。
实施例2
含能MOFs薄膜半导体桥的制备：
步骤1：称取0.029g硝酸钴加入到1L乙醇溶液中，磁力搅拌2h；称取0.013g 3-硝基-1H-1,2,4-三唑加入到1L乙醇溶液中，磁力搅拌2h；
步骤2：将上述溶液分别加入到纳米喷雾器当中后，与半导体桥芯片保持相距0.1m。先喷涂硝酸钴溶液5秒钟后静止5秒，接着在相同位置喷雾3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液10秒后静止5秒，之后喷涂1秒乙醇溶液去除未反应物质。循环重复以上操作200次。喷雾器压力为0.2bar，喷嘴距离为0.1m。干燥后得到附有一层[Co(ntz)]n型MOFs薄膜的含能半导体桥。
实施例3
含能MOFs薄膜半导体桥的制备：
步骤1：称取0.582g硝酸钴加入到1L乙醇溶液中，磁力搅拌2h；称取0.092g 3-硝基-1H-1,2,4-三唑加入到1L乙醇溶液中，磁力搅拌2h；
步骤2：将上述溶液分别加入到纳米喷雾器当中后，与半导体桥芯片保持相距0.1m。先喷涂硝酸钴溶液20秒钟后静止5秒，接着在相同位置喷雾3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液30秒后静止5秒，之后喷涂3秒乙醇溶液去除未反应物质。循环重复以上操作60次。喷雾器压力为0.2bar，喷嘴距离为0.1m。干燥后得到附有一层[Co(ntz)]n型MOFs薄膜的含能半导体桥。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是硝酸钴溶液浓度为3mmol/L，结果表明由于其浓度过大无法很好的组装成MOFs薄膜。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液浓度为2mmol/L，结果表明由于其浓度过大无法很好的组装成MOFs薄膜。

Claims (6)

1.含能MOFs薄膜半导体桥，其特征在于，采用纳米喷涂的方法将MOFs组装到半导体桥芯片表面形成MOFs薄膜。
2.根据权利要求1所述的含能MOFs薄膜半导体桥的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，以乙醇为溶剂，分别配置浓度为0.1～2mmol/L的硝酸钴溶液和浓度为0.1～0.8mmol/L的3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液；
步骤2，采用纳米喷涂方式，依次循环将硝酸钴溶液与3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液喷涂在半导体桥上，每次循环后，乙醇喷涂，去除未反应物质，在半导体桥芯片表面自组装MOFs薄膜，得到含能MOFs薄膜半导体桥。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的硝酸钴溶液的浓度为1mmol/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液的浓度为0.4mmol/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的MOFs薄膜为基于配体3-硝基-1H-1,2,4-三唑的含能[Co(ntz)]n薄膜，纳米喷涂条件为：硝酸钴溶液喷涂时间为5～20s，3-硝基-1H-1,2,4-三唑溶液喷涂时间为10-30s，乙醇喷涂时间为1～3s，循环次数为60～200次。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，喷涂压力为0.2bar，喷嘴距离为0.1m。
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