2叉指微電極的實(shí)驗(yàn)制備

制備叉指微電極常用的材料有延展性和導(dǎo)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(shí)際使用中受到很大限制。相比之下，石英／玻璃具有的優(yōu)良電滲和光學(xué)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(xué)腐蝕、易加工、具有良好透光性以及成本消耗低等特點(diǎn)的ITO（氧化銦錫）作為制備叉指微電極的電極材料。

實(shí)驗(yàn)采用的光刻機(jī)波長(zhǎng)為365 nm，輸出強(qiáng)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(jīng)過(guò)丙酮、去離子水超聲清洗2次，每次9 min（理想狀態(tài)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(jī)進(jìn)行涂膠（旋涂轉(zhuǎn)數(shù)3 000 r／min，旋涂時(shí)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(duì)準(zhǔn)后放在光刻機(jī)下進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間4～8 s。

顯影：在預(yù)先配置好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5‰的NaOH溶液中進(jìn)行顯影。因?yàn)椴捎玫墓饪棠z是正膠，這樣曝光的部分會(huì)被清洗掉，未被曝光的部分會(huì)留在導(dǎo)電玻璃上。顯影過(guò)程中時(shí)間很重要，不管是顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還是過(guò)短都會(huì)產(chǎn)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(shí)地將其取出。

堅(jiān)膜：將樣品放在烘干箱中在110℃下堅(jiān)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(shí)在鹽酸中加入鋅粉攪拌，促使刻蝕的進(jìn)行。邊腐蝕邊觀察，1 min后，觀察表面ITO層腐蝕情況。當(dāng)表面清潔透明時(shí)，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(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6指間距為4μm左右的叉指微電極部分結(jié)構(gòu)

3叉指微電極的電化學(xué)檢測(cè)

對(duì)所制備的叉指微電極，采用微電極檢測(cè)技術(shù)中常用的電化學(xué)方法進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)置掃描速率為0.01、0.02、0.05、0.1 V／s，得到的循環(huán)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(zhǔn)穩(wěn)態(tài)伏安曲線，符合超微帶電極的基本性質(zhì)，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(chǔ)。

圖7不同掃描速率下的伏－安曲線圖

4氣敏性能檢測(cè)

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(dá)到穩(wěn)定時(shí)的測(cè)試值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8不同濃度氨氣的時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，碳納米管薄膜在剛剛接觸到微量氨氣時(shí)，會(huì)由于吸附作用使宏觀電阻值增大，電流變小。隨著時(shí)間的推移，電流值會(huì)到達(dá)一個(gè)最低點(diǎn)，這時(shí)電阻將不再發(fā)生變化，此時(shí)將碳納米管氣敏傳感器在空氣中脫附，電流值又會(huì)上升最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，而且在一定范圍內(nèi)，通入不同濃度氨氣，碳納米管薄膜的電阻變化趨勢(shì)相同，但變化幅度會(huì)略有不同。這樣，我們就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)驗(yàn)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。可以看出，本文制備的碳納米管氣敏傳感器對(duì)低濃度的氨氣有較高的檢測(cè)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(jìn)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(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)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(fā)生復(fù)合現(xiàn)象，降低了界面勢(shì)壘，使得耗盡層的寬度減小了，同時(shí)增大了載流子運(yùn)輸時(shí)對(duì)勢(shì)壘的隧穿概率，表現(xiàn)為薄膜電導(dǎo)增加，最終使碳納米管氣敏傳感器的檢測(cè)靈敏度得到了提高。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真模擬分析了叉指微電極的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，為實(shí)驗(yàn)室制備提供了參考。利用光刻技術(shù)在導(dǎo)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(fā)現(xiàn)納米材料修飾的微電極對(duì)低濃度的氨氣有較高的檢測(cè)靈敏度，這就使進(jìn)一步縮小電極的尺寸成為可能。隨著光刻技術(shù)的日趨成熟，在納材料上制備出納米級(jí)的叉指微電極，將會(huì)為我國(guó)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供新的技術(shù)手段。