納米感應器的應用越來越廣,不過,原有的製造技術因為良率低、工藝複雜,使其成本居高不下。而澳洲一所大學研發的新技術,大大降低了納米感應器的生產成本。
澳洲麥覺理大學(Macquarie University,MQ)開發的新技術,解決了感應器中納米顆粒間隙過大、製造過程中需要經過長時間高溫加熱才能開始使用的問題。他們的做法很簡單,就是在納米感應器上滴上幾滴乙醇(酒精)。該研究成果8月初發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
這一新技術得來實屬偶然 。當時,麥覺理大學工程學院納米技術實驗室的研究生陳傑登(Jayden Chen)在清洗坩堝時,不慎將一些高濃度乙醇溶劑濺到正在改善由氧化鋅(ZnO)納米顆粒組成的紫外線納米感應器「太陽手錶(Sunwatch)」上。
當他發現乙醇噴灑到該感應器時,下意識地認為儀器已經被乙醇溶劑損壞。因此他深入檢查感應器是否出現異常,隨後有了這次驚人的發現。
這種納米感應器,主要由無數的氧化鋅納米粒子組成,在顯微鏡下觀察能看到這些粒子組成一個個的樹突狀納米團簇(DNC)。由於它包含巨大的表面積與體積比,使得它們能夠對物質進行高靈敏度的檢測。
不過,該納米感應器中的納米顆粒與納米顆粒之間的化學鍵能過於薄弱,使得納米顆粒之間的空隙過多,無法有效使感應器正常傳輸電流(提高電阻)和運作。因此,需要透過基底加熱,讓納米粒子能夠更有效的融合在一起,降低缺陷和原子介面之間的干擾,使納米感應器能夠有效運作。
先前也有透過氬離子轟擊、脈衝激光,讓納米粒子能夠更有效的融合在一起的方法,但這些方法卻有一些缺陷。例如,基底加熱需要長達12小時,而氬離子轟擊、脈衝激光難以在三維(3D)和大規模上均勻應用,這些限制了商業半導體納米結構器件的前景。
這次科學家通過乙醇的誘導毛細管特性,在氧化鋅納米團簇中滴入5小滴乙醇,使得DNC薄膜中相鄰的氧化鋅樹突狀的納米團簇頂部出現合併現象。
隨著乙醇乾燥後,均勻分布的納米微簇陣列的獨特圖案(NMCA)底部也會合併形成類似獨特的島嶼或樹樁的結構,且團簇與團簇之間的縫隙會變得更狹小。
他們還觀察到DNC薄膜厚度減少、孔隙率減少、平均顆粒直徑增加,以及非常小納米顆粒數量的略為減少。
對此,實驗團隊檢測到其形態、結構、光學和電子特性也發生顯著變化,極大改善了紫外探測器的光響應效率,減少了電荷傳輸不良的限制。
另外,他們也發現2小滴(過少)的乙醇溶劑無法對DNC薄膜發生作用,而10小滴(過多)則會嚴重破壞DNC薄膜結構,形成過多的裂紋。
麥覺理大學努辛·納西里(Noushin Nasiri)副教授對該校的新聞室解釋,「目前許多材料不能用於製造感應器,在於它們無法承受熔爐中高溫,因為熱量會破壞感應器中的一些聚合物。例如,含有微小電極的納米感應器(如納米電子設備中的電極)可能被高溫熔化。」
她說,「在傳感層上添加一滴乙醇且不用放入焗爐,將有助於納米顆粒表面的原子四處移動,增加顆粒與顆粒之間的結合,這使得顆粒之間的間隙縮小。」「當傑登發現這個結果時,我們仔細的嘗試了所有不同數量的乙醇,最終找到最合適的量。發現過少的乙醇對於感應器不起作用,太多則溶解掉傳感層。這證明乙醇極大的提高了我們感應器的激活效率(一分鐘內激活),且超出了感應器加熱12小時後得到的效果。」
最後納西里教授說:「我們開發了一種使納米感應器發揮作用的方法,並用紫外線感應器,以及檢測二氧化碳、甲烷、氫氣等的納米感應器對其進行了相同的乙醇滴量測試,發現效果是相同的。」
目前該團隊正在為這一技術申請專利。這一新技術有可能在納米感應器領域引起巨大反響。@
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