[發明專利]一種納米級普魯士藍薄膜的選擇性電化學沉積方法

在審

• 申請號: 201710933121.5
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107860804A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 馮雪;陳毅豪;魯思淵;陸炳衛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N27/327
• 分類號: G01N27/327;C25D9/02
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種納米級普魯士藍薄膜的選擇性電化學沉積方法。

背景技術

普魯士藍被廣泛應用于生物傳感，因為其可以在低電壓下與過氧化氫發生反應，因此被稱為“人工過氧化氫酶”。因此被用于葡萄糖檢測，乳酸檢測等。普魯士藍具有電致變色特性，因此可以用于變色玻璃、變色窗的制造。普魯士藍的制備有多種方法，其中電化學沉積是最方便最快捷的，同時可以得到較好的沉積薄膜質量。電化學沉積過程中沉積電位、沉積電流和沉積時間等參數控制被沉積薄膜的厚度、質量和與被沉積基底的粘附力。納米級的普魯士藍薄膜可以降低生物監測中的響應時間，減少離子擴散阻力，提高反應響應電流。但是納米級薄膜需要降低沉積時間，同時為了保證沉積薄膜的質量，需要提高沉積速度，因此可能會導致薄膜不致密，強度低和與基底粘附力差，容易破裂脫粘等問題。現有的研究內容大多以向普魯士藍電沉積液中添加其他物質例如聚合物的方式提高沉積成功率和薄膜質量質量，同時實現較低的薄膜電化學阻抗。這樣做的后果是影響普魯士藍本身的品質，同時增加了實驗材料準備難度，聚合物的使用降低了長期使用的可靠性和性能穩定性。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種納米級普魯士藍薄膜的選擇性電化學沉積方法，通過對金屬電極表面進行處理，制備出表面微結構，提高普魯士藍電化學沉積的效率和效果，并實現納米級厚度的普魯士藍薄膜的選擇性電沉積。

本發明進行普魯士藍薄膜電化學沉積采用的電化學沉積反應裝置包括：微型電化學反應池、電化學沉積溶液、電化學沉積對電極、電化學沉積工作電極、電化學沉積參比電極以及電化學工作站；其中，在微型電化學反應池中盛放電化學沉積溶液；電化學沉積對電極、電化學沉積工作電極和電化學沉積參比電極插入電化學沉積溶液中；電化學沉積對電極、電化學沉積工作電極和電化學沉積參比電極分別通過電纜連接至電化學工作站。

本發明的納米級普魯士藍薄膜的選擇性電化學沉積方法，包括以下步驟：

1)制備金屬電極，金屬電極包括傳感器工作電極的圖案和傳感器對電極的圖案；

2)將傳感器工作電極的圖案和傳感器對電極的圖案之間進行絕緣處理；

3)在金屬電極的表面制備出特征尺寸為納米或者微米級的表面微結構；

4)配置普魯士藍的電化學沉積溶液，添加入微型電化學反應池中，電化學沉積對電極、電化學沉積工作電極和電化學沉積參比電極分別插入電化學沉積溶液中，電化學沉積對電極、電化學沉積工作電極和電化學沉積參比電極分別通過電纜連接至電化學工作站；

5)將金屬電極中的傳感器工作電極的圖案沉浸在電化學沉積溶液中，并將傳感器工作電極的圖案連接至電化學沉積工作電極；

6)電化學工作站對傳感器工作電極的圖案進行電化學沉積反應，在傳感器工作電極的圖案上形成普魯士藍薄膜，傳感器工作電極的圖案及其上的普魯士藍薄膜構成傳感器工作電極，傳感器對電極的圖案作為傳感器對電極；

7)電化學沉積反應完成后，更換微型電化學反應池內的溶液，加入穩定性掃描溶液，對傳感器工作電極進行穩定性掃描；

8)將傳感器工作電極從微型電化學反應池中取出，利用加熱裝置烘干；

9)更換微型電化學反應池內的溶液，加入用于活化的溶液，將烘干后的傳感器工作電極在微型電化學反應池內做活化處理；

10)將活化后的傳感器工作電極清洗干凈，得到具有納米級普魯士藍薄膜的傳感器工作電極。

其中，在步驟1)中，制備金屬電極具體包括以下步驟：

a)在清潔干燥的基底上旋涂轉印層；

b)在轉印層上通過旋涂或者刮膜的方式，或者使用現成的薄膜絕緣材料粘貼固定在轉印層的表面，制備絕緣支持層；

c)在絕緣支持層上濺射粘結層；

d)在粘結層上通過電鍍、電化學沉積、氣相沉積或磁控濺射的方式制備金屬薄膜，金屬薄膜的厚度為納米級或者微米級；

e)將沉積過金屬薄膜的基底切片或者剪裁成所需要的尺寸，然后通過半導體加工的方式對金屬薄膜圖形化，制備出所需要的金屬電極，金屬電極包括傳感器工作電極的圖案和傳感器對電極的圖案。

在步驟1)的a)中，基底采用硅片、玻璃片中聚合物膜中的一種。粘結層的厚度為納米級，以增加沉積的金屬薄膜的沾附能力。

在步驟1)的c)中，通過半導體加工的方式對金屬薄膜圖形化，包括以下步驟：

i.在金屬薄膜上旋涂光刻膠；

ii.采用掩膜在光刻機下對光刻膠進行曝光；

iii.在顯影液中顯影；