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通过单分散Nb2O5颗粒界面自组装获得高性能NO2气体传感器

单分散微纳米颗粒,因其均一的形状和尺寸,在材料的形状和尺寸依赖物性研究方面,具有重要的作用;同时,这些单分散结构也是组装宏观功能纳米阵列的理想构筑单元。因此,单分散微纳米颗粒的合成与组装,一直以来都是材料科学研究的热点。由单分散微纳米颗粒自组装的薄膜,相比于不规则形状颗粒薄膜,具有更高的结构重复性和优越的功能稳定性。然而,单分散微纳米颗粒的经济简便合成及其快速可控组装,仍然是人们所追求的目标和面临的挑战。

近些年来,科学家们发展了多种方法用于组装单分散颗粒,并获得不同图案花样的结构阵列、三维超结构、宏观均匀薄膜等,如朗缪尔-布洛杰特(LB)法,旋涂法,垂直沉积法,水/油界面组装法等。相比于微纳加工技术,通过这些自组装方法获得纳米结构阵列薄膜,可极大的降低制作成本,具有很好的实用性。需要指出,虽然这些自下而上方法可显著削减制造成本,但其过程通常耗时较长,且一般需特殊的设备和可控润湿性的颗粒表面(例如LB法一般用于疏水颗粒自组装等)。因此,发展一种简单快速、大面积均匀、结构参数可控的单分散微纳米颗粒薄膜自组装方法,仍然为人们所期待。

最近,中国科学院固体物理研究所李越研究员课题组和南京大学物理学院周勇教授,在单分散微纳米颗粒的合成制备,及其大面积均匀薄膜的界面自组装方面取得重要进展。他们首先以五氯化铌和TBA为原料,采用一步水热法合成了单分散的Nb2O5微球;然后,基于正丁醇辅助气/水界面组装法,可快速(~ 3分钟)获得大面积(平方厘米级别)均匀密排的单层Nb2O5微球薄膜。通过层层堆积的方式,该方法同样可用于制作层数可控的薄膜。 为了进一步提高其气体感知性能,科研人员新发展了一种气/溶液界面组装法,在金属盐(M)溶液界面处组装Nb2O5微球薄膜,将其转移到气敏衬底并退火,即可获得MOx/ Nb2O5微球的复合薄膜。通过调节溶液成分,便可获得不同种类的金属氧化物/Nb2O5微球异质结薄膜。研究发现,相关研究结果发表在Advanced Materials Interfaces杂志上(Adv. Mater. Interfaces, 2015, DOI: 10.1002/admi.201500167)。

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,中组部“青年千人计划”及中科院“交叉与创新团队”等科研项目的资助。

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