高效纳米传感器设计.doc

实验：高效纳米材料传感器设计一、实验目的1. 掌握氮化硼纳米管的制备，进行 SEM表征；2. 完成叉指电极湿度传感器的制作， 搭建测试平台， 对基于氮化硼纳米管的湿度 传感器进行测试分析3. 制作叉指电极湿度传感器；4. 搭建测试平台，对基于氮化硼纳米管的湿度传感器进行测试分析二、实验原理1. 氮化硼纳米管简介氮化硼纳米管（BNNTS、氮化硼纳米带（BNNR）是典型的III-V 族化合物 BNNTS吉构与碳纳米管（CNTS相似，且包含等量的B和N元素电学性能上属 于宽禁带半导体不同的卷曲类型由不同的手性矢量决定，也具有不同的性能 常见类型有扶手椅型和锯齿型氮化硼纳米管具有高热导率、高温抗氧化；高强度、高柔韧性等特点，广泛 应用于自清洁纳米材料及生物材料中 其禁带宽度较宽， 当有外加电场或元素掺 杂时观察到带宽调制现象其也具有光电、压电、电磁等效应2. 制备机理：纳米管气-液-固（VLS三相生长原理催化剂一般选用金属颗粒， 金属颗粒在反应条件下处于液相状态， 而原料在 反应条件下为气相状态， 液态的金属颗粒会快速吸附气态反应原料， 使反应原料 在其表面发生化学反应生成目标物质 随着目标物质的不断积聚， 液态金属颗粒 内的目标物质呈现出过饱和状态， 并从液态金属颗粒中析出， 形成目标物质的晶 核。

此时，液态金属颗粒又回归到原先的状态，可以继续吸附气态反应原料如 此往返，促使晶核可以定向生长形成目标物质目前， VLS是被普遍认可的生长机理3. 球磨法工艺原理球磨球在高速运动中相互碰撞，利用剪切、碾压等机械力达到粉碎、研磨、 混合物料的目的 在封闭球磨过程中， 添加反应气体则可以进一步提高物料的活 性，甚至发生化学反应 球磨法利用机械力在室温下可达到减小颗粒尺寸至纳米 级别，获得的非平衡亚稳态纳米颗粒 球磨法的基本原理是利用机械能来诱发 化学反应或诱导材料组织、 吉构和性能的变化， 以此来制备新材料 它具有明显 降低反应活化能、 细化晶粒、 极大提高粉末活性和改善颗粒分布均匀性及增强体 与基体之间界面的吉合， 促进固态离子扩散， 诱发低温化学反应， 从而提高了材 料的密实度、电、热学等性能在纳米材料的制备过程中，球磨法的引入可以通 过细化反应物颗粒， 增大反应物之间的接触面积， 降低反应活化能， 从而降低反 应温度，提高产物生成率4. 湿敏传感器湿度是空气中所含的水分的百分比， 来表示空气的潮湿度 湿度传感器测量 范围一般不需要全湿程（0-100%RH）测量湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏 元件主要有电阻式、 电容式两大类 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时， 元件的电阻率和电阻值都 发生变化，利用这一特性即可测量湿度一维纳米材料具有大的比表面积、 独特 的孔隙结构、良好的力学以及特殊的导电能力等优良性能， 大比表面积及多孔结 构使纳米管与周围介质间具有很强的相互作用， 可大量吸附水汽，对环境湿度十分敏感，被认为是良好的湿敏材料三、实验仪器及试剂实验仪器：仪器型号厂商数控超声波清洗器KQ52000DB昆山市超声仪器有限公司卧式星型球磨机QM-3SP04南京大学仪器厂电子天平FA1604上海良平仪器仪表有限公司真空干燥箱DZF-6020上海精宏实验设备有限公司扫描电子显微镜VEGA 3 SBH泰思肯贸易有限公司实验试剂:名称分子式及技术参数制造商硼粉B (>9%)美国 Sigma-Aldrich 公司乙醇C2 H 5OH天津基准化学试剂有限公司氮气N2哈尔滨黎明气体有限公司氮氢混合气85% N 2+15 % H 2哈尔滨黎明气体有限公司硝酸铁九水合物Fe(NO3)3 • 9H2O上海品纯生化科技股份有限公司纳米氧化铝AI2O3 ( >99.99%) 80 ±nm上海麦克林生化科技有限公司四、实验步骤1. BNNT制备（1）球磨硼粉细化：采用卧式球磨机对硼粉进行细化处理。

即称取一定质量的无定形硼粉， 并将B粉球磨，制备亚微米级的硼粉前体；① 使用超声波清洗器清洗球磨罐，球磨球采用不锈钢球磨罐两个，球磨球若干② 称量硼粉每个球磨罐称量硼粉1g，将硼粉、球磨球按照1:20的质量比混合 取用球磨球20g（ 7个）③ 密封球磨罐，在充满氮气保护气体的手套箱中进行④ 安装球磨罐，球磨转速为 200rpm,球磨16-18个小时制备硼墨：在真空手套箱中取出亚微米无定形 B粉，按一定比例将硼粉和纳米催 化剂粒子进行混合，滴加少量乙醇溶液，混合均匀呈稠密状，随后将悬浮液密封 取出，超声振荡半小时，形成含有催化剂的硼涂料，待烧结时使用注：操作手套箱的步骤：① 释放连接部分气阀，调节气压使得其与外界气压相同② 打开盖子，将试验用具放入③ 关好盖子，开始对内部及连接部分抽气/通惰性气体（如氩气）④ 结束抽气/通气后，将内部与连接部分的盖子打开，取出试验用品，开始试验试验时间较长时，建议将连接部分抽成真空）（2）烧结烧结前：在烧结前，管式炉在N2气氛下以15C/min的升温速率持续升温，当温 度达到800C时，将气体切换至氮氢气混合气（85%N+15%H），为反应提供足够 的N和H2。

烧结：将制备出的前驱体均匀涂覆在不锈钢基板上， 放置于刚玉舟上推送入管式 炉内进行烧结1小时左右，在烧结过程中使用的反应气体流速为 0.2L/min烧结后：采用自然降温，自然降温过程中保持通入氮氢混合气，直到温度降到500C 以下至炜温，即可得到灰白色的 BN纳米管实验中操作了两次，分别得到了两个试样2. BNNTS的观察和表征1） BNNTS勺观察取试样，使用胶带或刀片粘下或刮下少许试样，放在扫描电子显微镜下进行观察 基本观察方法为使用小清晰度进行放大对焦操作，找到合适观察区域后使用略大 清晰度进行拍照观察实验结果如下：HV£1Q+C KV WD； 22,73 mm | j | | | L | | | VE＜；A3 TESQANVi«w 1 38 |Jtn Det: SE I 20 pm图1试样1的硼氮纳米管影像图2试样2的硼氮纳米管影像(2) BNNTs的元素表征使用扫描电子显微镜进行对试样目标区域的元素分析以确定 BNNTs元素组成及杂质两个试样的表征结果如下计 hffiJHJKL 1711 H114)1MW-1000M100.0 O.S 1.0 1.5 ZO 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0Mm 13 Al图3试样1的元素计数 表1试样1的元素表征列表B K1570.34士 0.03 ---31.5538.13士3.16B31.55C K90.01士 0.00 ---1.751.90士0.84C1.75N K4660.53士 0.02 ---47.3844.19士2.09N47.38O K2000.13士 0.01 ---19.3315.78士1.10O19.33总计100.00100.00100.00表2试样2的元素表征列表B K2170.38士 0.03 ---33.9940.35士2.79B33.99C K160.01士 0.00 ---2.542.71士0.68C2.54N K5870.54士 0.02 ---52.7648.34士1.98N52.76O K1210.06士 0.01 ---10.728.60士0.78O10.72总计100.00100.00100.00计 167815&0-500-khn - 11 A> twV图4试样2的元素计数3. 叉指电极湿度传感器传感器制作(1) 将制作好的叉指电极在无水乙醇中超声 10分钟，清除电极表面的杂质；(2) 将制备好的氮化硼纳米管从不锈钢基底上剥离下来，用电子秤精确称量出 相应质量的纳米管；将称好质量的氮化硼纳米管转移到酒精中，经过超声振荡使 其均匀分散，配置0.5mg/mL的纳米管溶液A。

在实验中，实际使用了 6.6mg的纳米管和6.6mL的酒精，配置了 1mg/mL的纳 米管溶液A ；(3) 配置2mg/mL PEDOT:PSS溶液B (固含量1%)，取0.2mL的溶液B于小瓶中，按照不同质量比取适量体积的纳米管溶液 A于上述小瓶中，超声振荡30min，使两种溶液均匀混合实验中分别配置PEDOT:PSS和氮化硼纳米管质量 比为4:1-1:2间的两种混合液本实验中实际配置了 1.1mg/mL的PEDOT:PSS溶液B，并配置了 1:1和1:2的两 种混合液；(4) 将清洗好的叉指电极固定在恒温台上，将处理好的混合液滴涂在做好的电极上；将滴涂好的电极放入真空干燥箱，温度调至 80C,进行1.5h真空干燥4. 湿敏测试环境的搭建及测试(1) 湿敏测试环境的搭建实验中选用饱和盐溶液湿度发生器，该方法具有相对湿度范围大、易于实 现等优点在固定温度下，密闭空间内的饱和盐溶液中水分子的蒸发与凝结作 用最终会达到动态平衡而对于较小空间的密闭容器内的饱和盐溶液，只要时 间足够长，空间内湿度最终会等同于液面附近湿度值，产生稳定均匀的湿度环 境本实验采用醋酸钾(CH3COOK,23%)、氯化铜(CuCb,67%)、氯化钾 (KCI,86%)、硫酸钾(K2SO4,97%)四种饱和盐溶液产生对应稳定湿度。

2) 性能测试利用数字万用表测量不同湿度下传感器的阻值记录实验数据五、实验结果与讨论实验结果：材料比例饱和盐溶液阻抗BNNT : PED0T 1:123% CH3C00K2.58k Q67% CuCl24.63k Q86% KCl26.4k Q97% K2SO431.9k QBNNT : PED0T 2:123% CH3C00K0.48k Q67% CuCl21.87k Q86% KCl2.05k Q97% K2SO42.84k Q浓度：PED0T:PSS1.1mg/ml，BNNT 1mg/ml实验结果分析：作出两种情况下的变化关系如下图所示353025201510弓图5不同配比下的湿度传感器阻抗随湿度的变化关系通过图像可以看出，随着湿度增加，阻抗呈现增加趋势 1:1配比下近似指数变化；2:1配比下则近似线性变化规律六、思考题（1） 球磨在反应中起到了什么作用？球磨使硼粉颗粒尺寸减小，增加了反应表面面积，使反应更加充分、获得目标产 物更多2） 还有什么材料可以用作湿敏传感器？举例说明 金属氧化物薄膜材料，如氧化锌、二氧化钛、氧化铝等；纳米材料，如本实验的BNNTs及石墨烯等；生物材料，如细菌纤维素等。