一種三維點陣納米結構電極及其製備方法
2023-05-06 08:35:56 1
專利名稱：一種三維點陣納米結構電極及其製備方法
技術領域：
本發明屬於基本電器元件領域，具體的說，本發明提供了一種三維點陣納米結構電極及其製備方法。
背景技術：
採用各種手段，包括物理、化學或電化學的方法製備與加工納米功能材料是近來納米製備技術的前沿領域。中國專利中已有20餘項有關的方法和技術，主要涉及的方法包括化學反應法、電化學沉積法等。如中國專利01140468.x在氨基丙基三甲氧基矽烷修飾的ITO電極表面直徑為2.5nm的金納米粒子自組裝單層膜為催化模版，採用化學鍍得到Au(111)的納米島陣列薄膜及電極。專利01113646提供了一種矽基片上有序納米管陣列的製備方法，使用電化學陽極氧化法得到10～100nm的納米鐵催化劑陣列或納米線。專利02118756.8提供了多晶金膜的電化學表面納米處理方法，將厚度為50～100nm的多晶金膜置於0.4～0.8mM的Ag2SO4及0.1M的H2SO4在中進行欠電位沉積與溶出處理，得到表面尺寸和形貌更為均一光滑的金(111)取向排列的金膜。現有專利中尚未提到(1)使用電化學聚合的手段製備納米結構高分子膜(2)使用調控電聚合實驗參數來控制所得到的納米高分子的微觀三維結構。傳統方法在電極表面製作電聚合高分子膜，一般使用一步法完成，該一步法可以是恆電流電解過程，也可以是恆電位電解過程。這樣製備得到的電聚合高分子膜呈現的是網絡狀的平面展開的結構，不具有三維點陣立體結構的特徵。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種三維點陣納米結構電極，且該納米結構是通過電化學方法製備的。
本發明的另一個目的是提供一種上述電極的製備方法，而且製備過程中每一步的電解電流密度和時間均可控制，從而控制電極膜三層結構的厚度和特性。
本發明提供了一種三維點陣納米結構電極，該電極上覆蓋有高分子膜，膜的總厚度為80-90nm；該高分子膜由三層組成，底層的膜呈島狀，直徑為35-100nm；中間層和上層的膜都是圓柱狀結構的，其直徑分別為20-35nm和15-25nm。
較好的，該高分子膜底層膜的厚度為20-30nm，中間層的厚度為25-35nm，上層厚度為30-35nm。
本發明使用的基礎電極可以是碳電極(包括石墨電極和玻碳電極)、金電極、鉑電極等。
本發明的三維點陣納米結構電極，電極上覆蓋的高分子膜的成分為苯胺，或吡咯，或噻吩的聚合物。
點陣之間的平面距離為10-100nm。
本發明的另一個方面提供了一種基於多步恆電流電解技術的三維點陣納米高分子有序膜的製備方法。根據本發明提供的方法，可以製備出與傳統方法完全不同的電聚合膜。
傳統電聚合膜的製備方法為一步聚合，但是這樣製備得到的電聚合高分子膜呈現的是網絡狀的平面展開的結構。
本發明中，採用三步聚合法製備電極上的高分子膜。具體的，本發明提供的上述電極的製備方法包括以下步驟(1)清潔電極後，將電極浸於高分子膜單體的酸性溶液中，單體的濃度為0.1-0.5M；(2)電極上的高分子膜通過由三次恆電流電解形成，每一步的電解電流密度和時間依次為0.07～0.09mAcm-2電聚0.4～0.6小時；0.03～0.05mAcm-2電聚2～3小時；0.01～0.02mAcm-2電聚2～3小時。
第1步電聚合後得到的底層聚合物膜的厚度約20～30nm，經過第2步後得到的第2層柱狀結構高度約25～35nm，直徑為20～35nm，再經過第3步電聚合後，得到立體方向上(垂直於底層平面)更細長的三維柱狀結構，高度約30～35nm，直徑為15～25nm。這樣，經過三步電聚合後，在整個垂直於電極的平面上得到多個由納米柱狀結構的聚合物構成的點陣。構成點陣的納米柱的總高度在80～90nm。
用於電聚合的單體，可以是苯胺、吡咯、噻吩及其衍生物；單體的濃度一般為0.1～0.5M。
介質可以採用濃度為0.5M～1.0M的高氯酸、硫酸等酸性體系。
本發明的電極是由三步恆電流電解完成的，每一步的電解電流密度和時間均可控制，相應地，所得到的三維點陣納米膜結構和形貌特徵是由上述3步電化學參數調控。測試結果表明，本發明的電極上的三維膜的比表面遠大於傳統方法得到的高分子膜。因此，本發明的電極可用於製備高通量的晶片，用於檢測、鑑定待測物中目的分子的含量。
圖1為經過三步法電聚合後，在電極上形成三維點陣納米結構聚合物膜的示意圖。其中1為電極，2為底層島狀聚合膜，3為中層柱狀結構聚合膜，4為上層柱狀結構聚合膜。
圖2為經過三步法電聚合後在鉑金薄膜表面得到的三維點陣結構的聚苯胺。
具體實施例方式
實施例通過電聚合方法製備覆蓋有三維點陣結構的聚苯胺的鉑電極首先，對鉑電極進行清潔。
其次，通過電聚合形成聚苯胺的三維點陣結構薄膜。將清潔後的鉑電極置於濃度為0.3M的聚苯胺的高氯酸溶液，通過三步電聚合在鉑電極上形成三維點陣結構薄膜。電聚合的參數分別為第1步0.08mAcm-2電聚0.5小時，得到的底層聚合物膜的厚度為25nm；第2步0.04mAcm-2電聚2.5小時，得到的第2層為柱狀結構，高度為30nm，直徑為25nm；第3步0.02mAcm-2電聚3小時，得到立體方向上(垂直於底層平面)更細長的三維柱狀結構，高度為30nm，直徑為20nm。
這樣，經過三步電聚合後，在整個垂直於電極的平面上得到多個由納米柱狀結構的聚合物構成的點陣。構成點陣的納米柱的總高度為85nm。
這種三維納米點陣電極可以在化學/生物傳感器製備、蛋白質或基因晶片製作、新型電致發光器件等領域發揮重要作用。
權利要求
1.一種三維點陣納米結構電極，其特徵在於，電極上覆蓋有高分子膜，膜的總厚度為80-90nm；該高分子膜由三層組成，底層的膜呈島狀，中間層和上層的膜都是圓柱狀結構的，其直徑分別為20-35nm和15-25nm。
2.如權利要求1所述的電極，其特徵在於，底層膜的厚度為20-30nm，中間層的厚度為25-35nm，上層厚度為30-35nm。
3.如權利要求1所述的電極，其特徵在於，高分子膜的成分為苯胺，或吡咯，或噻吩的聚合物。
4.一種權利要求1所述電極的製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)清潔電極後，將電極浸於高分子膜單體的酸性溶液中，單體的濃度為0.1-0.5M；(2)電極上的高分子膜通過由三次恆電流電解形成，每一步的電解電流密度和時間依次為0.07～0.09mAcm-2電聚0.4～0.6小時；0.03～0.05mAcm-2電聚2～3小時；0.01～0.02mAcm-2電聚2～3小時。
5.一種如權利要求4所述的方法，其特徵是(1)中使用的酸性溶液是高氯酸或者硫酸。
全文摘要
本發明屬於基本電器元件領域，具體的說，本發明提供了一種三維點陣納米結構電極及其製備方法。採用各種手段，包括物理、化學或電化學的方法製備與加工納米功能材料是近來納米製備技術的前沿領域。傳統方法在電極表面製作電聚合高分子膜，一般使用一步法完成，該一步法可以是恆電流電解過程，也可以是恆電位電解過程。這樣製備得到的電聚合高分子膜呈現的是網絡狀的平面展開的結構，不具有三維點陣立體結構的特徵。基於多步恆電流電解技術，本發明提供了一種的三維點陣納米高分子有序膜及其製備方法。該三維膜的比表面遠大於傳統方法得到的高分子膜。因此，本發明的電極可有效用於製備高通量的晶片，檢測、鑑定待測物中目的分子的含量。
文檔編號G01N27/30GK1588027SQ20041005403
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月26日 優先權日2004年8月26日
發明者孔繼烈, 劉寶紅, 張松 申請人:復旦大學