[發(fā)明專利]多孔三維微柱陣列材料、其制備方法及應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114113242A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 花天翔;郭浩;秦景;王軍;李令英;錢波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 南京利豐知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹

本發(fā)明公開了一種多孔三維微柱陣列材料、其制備方法及應(yīng)用。所述制備方法包括：以納米材料分散液為墨水，以噴墨打印的方式，將所述墨水打印在冷凍平臺的基板上，形成納米材料微柱陣列；之后對其進(jìn)行冷凍干燥，成型獲得多孔三維微柱陣列材料。本發(fā)明通過噴墨打印結(jié)合冷凍平臺的方式，制備了高深寬比、大比表面積的多孔三維微柱陣列材料，無需任何支撐或者掩膜，工藝成本低廉；整個(gè)打印過程在數(shù)分鐘內(nèi)可以完成，制造周期短，極具應(yīng)用價(jià)值；并且，本發(fā)明制備的多孔三維微柱陣列可以作為氧化物半導(dǎo)體薄膜生長的模板，以此來制備柱式氣體傳感器，可以用于監(jiān)測多種氣體，具有比平面?zhèn)鞲衅鞲叩臍怏w響應(yīng)、更短的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多孔材料的制備方法，具體涉及一種應(yīng)用于傳感器的多孔三維微柱陣列材料及其制備方法，以及在制備傳感器中的應(yīng)用，屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

工業(yè)、汽車、臨床、環(huán)境監(jiān)測以及家庭部門對檢測各種氣體(包括有毒、可燃、有機(jī)、烹飪蒸汽等)的氣體傳感器的需求量很大。在所有這些傳感器中，基于金屬氧化物半導(dǎo)體的傳感器是研究最廣泛的化學(xué)電阻氣體傳感器之一，比如ZnO、CdO和SnO₂。氣體傳感器的傳感機(jī)制基于在還原性和氧化性氣體存在下其電導(dǎo)率的變化，以ZnO為例進(jìn)行原理說明，ZnO是一種廉價(jià)、無毒、豐富的n型半導(dǎo)體，具有較寬的直接帶隙(3.37eV)和高激子能量(60meV)，是最有前途的金屬氧化物半導(dǎo)體材料之一。在某些溫度下，氧以O(shè)-離子的形式吸附在ZnO的表面，從ZnO導(dǎo)帶中提取電子并產(chǎn)生耗盡層，從而導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率降低；而在大氣中存在還原性氣體的情況下，它們與吸附在ZnO晶體表面上的O^-離子發(fā)生反應(yīng)，充當(dāng)供體，因此，O^-離子的濃度降低，提高了ZnO的電導(dǎo)率。由于化學(xué)傳感器的響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)與氣體分子之間的表面反應(yīng)，因此結(jié)構(gòu)形狀和尺寸是傳感材料的關(guān)鍵參數(shù)。目前主流氣體傳感器多為平面狀，相比之下，柱式氣體傳感器具有大表面積比，可以增加敏感材料和氣體吸收表面的數(shù)量，從而進(jìn)一步提高傳感器的傳感性能，具有比平面?zhèn)鞲衅鞲叩臍怏w響應(yīng)、更短的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。所以，提升氣敏材料的深寬比和比表面積對于氣體傳感器的應(yīng)用非常有意義。

目前主流制備柱式氣體傳感器的方法，是用光刻得到微柱陣列，將其作為氣體傳感器的模板，以此來提高傳感材料的比表面積，隨后再將金屬薄膜ZnO沉積到微柱表面。這種制備方法中，光刻給這種方法帶來了巨大的成本挑戰(zhàn)，并且光刻的工藝復(fù)雜性也限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種高效、低成本、方便快捷的制造方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種多孔三維微柱陣列材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

本發(fā)明的另一目的還在于提供多孔三維微柱陣列材料在制備傳感器中的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多孔三維微柱陣列材料的制備方法，其包括：

提供納米材料分散液；

以所述納米材料分散液為墨水，以噴墨打印的方式，將所述墨水打印在冷凍平臺的基板上，形成納米材料微柱陣列；

對所述納米材料微柱陣列進(jìn)行冷凍干燥，成型獲得多孔三維微柱陣列材料。

在一些實(shí)施方案中，所述制備方法具體包括：

采用噴墨打印的方式，將噴出的墨滴噴射到冷凍平臺的基板上迅速變成固態(tài)，實(shí)現(xiàn)在垂直和水平方向上的材料沉積，層層堆疊成型制得三維的納米材料微柱陣列結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了由前述方法制備的多孔三維微柱陣列材料，所述多孔三維微柱陣列材料的最高深寬比達(dá)到12∶1，孔隙率為30％～50％。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了所述多孔三維微柱陣列材料于制備傳感器中的應(yīng)用。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種柱式氣體傳感器的制備方法，其包括：