2叉指微电极的实验制备


制备叉指微电极常用的材料有延展性和导电性较好的金、银等贵金属材料，而基底材料大部分选用石英／玻璃，硅、二氧化硅等，但是单晶硅所具有的易碎、抗腐蚀性以及透光性较差等不足之处使其在实际使用中受到很大限制。相比之下，石英／玻璃具有的优良电渗和光学特性，非常适合成为微电极基底材料。本文选用具有电阻率较低、耐化学腐蚀、易加工、具有良好透光性以及成本消耗低等特点的ITO（氧化铟锡）作为制备叉指微电极的电极材料。


实验采用的光刻机波长为365 nm，输出强度为18～20 mW／cm2。


光刻工艺主要步骤如下：


清洗：ITO首先用洗涤剂棉球擦洗，然后经过丙酮、去离子水超声清洗2次，每次9 min（理想状态是使清洗后的ITO表面与光刻胶的接触角为0°），取出后放在烘干箱中烘干备用。


涂胶：用匀胶机进行涂胶（旋涂转数3 000 r／min，旋涂时间20～30 s）。


前烘：将涂好光刻胶的样品放在烘干箱中烘干，65℃烘干10 min，然后95℃烘干20 min。


曝光：将样品对准后放在光刻机下进行曝光，曝光时间4～8 s。


显影：在预先配置好的质量分数约为5‰的NaOH溶液中进行显影。因为采用的光刻胶是正胶，这样曝光的部分会被清洗掉，未被曝光的部分会留在导电玻璃上。显影过程中时间很重要，不管是显影时间过长还是过短都会产生图像效果清洗较差的情况，所以需要边显影边观察光刻胶被洗掉的情况，并及时地将其取出。


坚膜：将样品放在烘干箱中在110℃下坚膜，然后自然降温。


刻蚀：将上述样品放置于浓度约为0.004 mol／L的盐酸中腐蚀，同时在盐酸中加入锌粉搅拌，促使刻蚀的进行。边腐蚀边观察，1 min后，观察表面ITO层腐蚀情况。当表面清洁透明时，用去离子水冲洗，吹干，用丙酮去除表面的光刻胶。


制备的叉指微电极结构图如图6所示。

图6指间距为4μm左右的叉指微电极部分结构


3叉指微电极的电化学检测


对所制备的叉指微电极，采用微电极检测技术中常用的电化学方法进行循环伏安测试实验，分别设置扫描速率为0.01、0.02、0.05、0.1 V／s，得到的循环伏安曲线如图7所示。


随着扫描速度的增加，微电极能够很好地保持准稳态伏安曲线，符合超微带电极的基本性质，这也为下一步制备碳纳米管气敏传感器奠定了良好的基础。

图7不同扫描速率下的伏－安曲线图


4气敏性能检测


其中，I0为传感器的初始电流值，I为传感器在氨气中电流再次达到稳定时的测试值。实验结果如图8所示。

图8不同浓度氨气的时间－电流曲线，图9单位电阻变化率与氨气浓度的拟合直线


由实验结果不难看出，碳纳米管薄膜在刚刚接触到微量氨气时，会由于吸附作用使宏观电阻值增大，电流变小。随着时间的推移，电流值会到达一个最低点，这时电阻将不再发生变化，此时将碳纳米管气敏传感器在空气中脱附，电流值又会上升最终达到一个相对稳定值，而且在一定范围内，通入不同浓度氨气，碳纳米管薄膜的电阻变化趋势相同，但变化幅度会略有不同。这样，我们就可以根据实验所得到的数据计算不同浓度下单位电阻的变化，拟合直线斜率将反映碳纳米管气敏传感器的灵敏度。


图9是单位电阻变化率与气体浓度的拟合线性图。本实验中所得到的单位电阻变化率与氨气浓度的拟合直线斜率为0.015 4，K值的大小可以更直观地反映传感器灵敏度的大小情况。可以看出，本文制备的碳纳米管气敏传感器对低浓度的氨气有较高的检测灵敏度，其主要原因是：碳纳米管纳米材料修饰叉指微电极后，增加了微电极的比表面积，促进了电子传递的速度。碳纳米管材料本身所具有的吸附特性和光电特性使其表面形成了很多的吸附位，产生的光生载流子在内建电场的作用下迁移到碳纳米管薄膜表面，与吸附到薄膜表面的氨气分子发生复合现象，降低了界面势垒，使得耗尽层的宽度减小了，同时增大了载流子运输时对势垒的隧穿概率，表现为薄膜电导增加，最终使碳纳米管气敏传感器的检测灵敏度得到了提高。


5结语


本文通过仿真模拟分析了叉指微电极的电场强度分布，为实验室制备提供了参考。利用光刻技术在导电玻璃上成功制备了指间距为4μm的叉指微电极，提供了一种可靠0、低成本的制作方法。我们发现纳米材料修饰的微电极对低浓度的氨气有较高的检测灵敏度，这就使进一步缩小电极的尺寸成为可能。随着光刻技术的日趋成熟，在纳材料上制备出纳米级的叉指微电极，将会为我国的海洋环境监测工作提供新的技术手段。