2叉指微電極的實驗制備


制備叉指微電極常用的材料有延展性和導電性較好的金、銀等貴金屬材料，而基底材料大部分選用石英／玻璃，硅、二氧化硅等，但是單晶硅所具有的易碎、抗腐蝕性以及透光性較差等不足之處使其在實際使用中受到很大限制。相比之下，石英／玻璃具有的優良電滲和光學特性，非常適合成為微電極基底材料。本文選用具有電阻率較低、耐化學腐蝕、易加工、具有良好透光性以及成本消耗低等特點的ITO（氧化銦錫）作為制備叉指微電極的電極材料。


實驗采用的光刻機波長為365 nm，輸出強度為18～20 mW／cm2。


光刻工藝主要步驟如下：


清洗：ITO首先用洗滌劑棉球擦洗，然后經過丙酮、去離子水超聲清洗2次，每次9 min（理想狀態是使清洗后的ITO表面與光刻膠的接觸角為0°），取出后放在烘干箱中烘干備用。


涂膠：用勻膠機進行涂膠（旋涂轉數3 000 r／min，旋涂時間20～30 s）。


前烘：將涂好光刻膠的樣品放在烘干箱中烘干，65℃烘干10 min，然后95℃烘干20 min。


曝光：將樣品對準后放在光刻機下進行曝光，曝光時間4～8 s。


顯影：在預先配置好的質量分數約為5‰的NaOH溶液中進行顯影。因為采用的光刻膠是正膠，這樣曝光的部分會被清洗掉，未被曝光的部分會留在導電玻璃上。顯影過程中時間很重要，不管是顯影時間過長還是過短都會產生圖像效果清洗較差的情況，所以需要邊顯影邊觀察光刻膠被洗掉的情況，并及時地將其取出。


堅膜：將樣品放在烘干箱中在110℃下堅膜，然后自然降溫。


刻蝕：將上述樣品放置于濃度約為0.004 mol／L的鹽酸中腐蝕，同時在鹽酸中加入鋅粉攪拌，促使刻蝕的進行。邊腐蝕邊觀察，1 min后，觀察表面ITO層腐蝕情況。當表面清潔透明時，用去離子水沖洗，吹干，用丙酮去除表面的光刻膠。


制備的叉指微電極結構圖如圖6所示。

圖6指間距為4μm左右的叉指微電極部分結構


3叉指微電極的電化學檢測


對所制備的叉指微電極，采用微電極檢測技術中常用的電化學方法進行循環伏安測試實驗，分別設置掃描速率為0.01、0.02、0.05、0.1 V／s，得到的循環伏安曲線如圖7所示。


隨著掃描速度的增加，微電極能夠很好地保持準穩態伏安曲線，符合超微帶電極的基本性質，這也為下一步制備碳納米管氣敏傳感器奠定了良好的基礎。

圖7不同掃描速率下的伏－安曲線圖


4氣敏性能檢測


其中，I0為傳感器的初始電流值，I為傳感器在氨氣中電流再次達到穩定時的測試值。實驗結果如圖8所示。

圖8不同濃度氨氣的時間－電流曲線，圖9單位電阻變化率與氨氣濃度的擬合直線


由實驗結果不難看出，碳納米管薄膜在剛剛接觸到微量氨氣時，會由于吸附作用使宏觀電阻值增大，電流變小。隨著時間的推移，電流值會到達一個最低點，這時電阻將不再發生變化，此時將碳納米管氣敏傳感器在空氣中脫附，電流值又會上升最終達到一個相對穩定值，而且在一定范圍內，通入不同濃度氨氣，碳納米管薄膜的電阻變化趨勢相同，但變化幅度會略有不同。這樣，我們就可以根據實驗所得到的數據計算不同濃度下單位電阻的變化，擬合直線斜率將反映碳納米管氣敏傳感器的靈敏度。


圖9是單位電阻變化率與氣體濃度的擬合線性圖。本實驗中所得到的單位電阻變化率與氨氣濃度的擬合直線斜率為0.015 4，K值的大小可以更直觀地反映傳感器靈敏度的大小情況?？梢钥闯?，本文制備的碳納米管氣敏傳感器對低濃度的氨氣有較高的檢測靈敏度，其主要原因是：碳納米管納米材料修飾叉指微電極后，增加了微電極的比表面積，促進了電子傳遞的速度。碳納米管材料本身所具有的吸附特性和光電特性使其表面形成了很多的吸附位，產生的光生載流子在內建電場的作用下遷移到碳納米管薄膜表面，與吸附到薄膜表面的氨氣分子發生復合現象，降低了界面勢壘，使得耗盡層的寬度減小了，同時增大了載流子運輸時對勢壘的隧穿概率，表現為薄膜電導增加，最終使碳納米管氣敏傳感器的檢測靈敏度得到了提高。


5結語


本文通過仿真模擬分析了叉指微電極的電場強度分布，為實驗室制備提供了參考。利用光刻技術在導電玻璃上成功制備了指間距為4μm的叉指微電極，提供了一種可靠0、低成本的制作方法。我們發現納米材料修飾的微電極對低濃度的氨氣有較高的檢測靈敏度，這就使進一步縮小電極的尺寸成為可能。隨著光刻技術的日趨成熟，在納材料上制備出納米級的叉指微電極，將會為我國的海洋環境監測工作提供新的技術手段。