基于非接觸直寫法的單取向納米纖維氣體傳感器的制造

電流體動力學(xué)（EHD）非接觸直寫是新一代噴墨打印技術(shù)，具有超高分辨率和與高粘性油墨的良好兼容性。另一方面，靜電紡絲是一種廣泛使用的制造納米纖維的方法，但其在生產(chǎn)柔性電子器件的圖案化結(jié)構(gòu)時有局限性。EHD技術(shù)可以實現(xiàn)在剛性或柔性表面上大規(guī)模、實時和單獨控制的定向納米纖維沉積。在EHD工藝中使用電場來產(chǎn)生形狀穩(wěn)定的液滴。它可以用于制造尺寸從幾微米到幾十納米不等的纖維，并且具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)噴墨打印的分辨率。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，伊朗德黑蘭大學(xué)（University of Tehran）的研究人員探索了利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）聚合物制造單取向纖維的非接觸直寫方法。研究表明，借助于這種方法，可以以可控的方式制造具有設(shè)計結(jié)構(gòu)的納米纖維。目前正在研究這種類型的納米纖維，目的是將其用于一氧化碳（CO）氣體傳感器。相關(guān)研究成果以“Fabrication and verification of a single aligned nanofibre gas sensor based on non-contact direct writing method”為題發(fā)表在Electronics Letters期刊上。

制造裝置包括一個3D打印機、一個高壓電源和一個注射泵。直徑達3 μm的四異丙醇/聚乙烯吡咯烷酮（TTIP/PVP）纖維是通過高壓直流（HVDC）電場靜電紡絲制成的。

隨著電壓的增加，纖維被拉伸并延伸到基底的邊緣，從而形成彎曲的納米纖維結(jié)構(gòu)，但控制這些彎曲的結(jié)構(gòu)并不容易。纖維的曲率隨著施加電壓的增加而增加，這與理論預(yù)測一致。此外，適當?shù)臒崽幚砗蛯悠贩湃霠t中可以提高纖維的有序度并減小纖維的尺寸。纖維在放入爐前直徑約為3 μm，在500℃熱處理后直徑約為200 nm。

通過非接觸直寫方法獲得的熱處理前的單根TTIP/PVP纖維的顯微圖像

通過非接觸直寫方法獲得的熱處理后的單根納米纖維的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像

研究人員還設(shè)計了一種能夠在室溫下工作的氣體傳感器。結(jié)果表明，該傳感器在室溫下對CO氣體具有高靈敏度響應(yīng)，閾值為30 ppb。此外，還介紹了一種基于蒙特卡羅（Monte Carlo）方法的仿真技術(shù)。結(jié)果表明，該仿真方法與實驗結(jié)果相吻合，具有合理的精度，在30 ppb CO氣體中得到的實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)約為0.934。

CO氣體濃度為30 ppb時實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)的比較

總而言之，研究人員探究了用于制造納米纖維的非接觸直寫方法，該方法可控并可設(shè)計用于氣體傳感器應(yīng)用。研究人員討論了制造直徑約為200 nm的單根納米纖維的設(shè)置條件。他們還使用蒙特卡羅方法對納米纖維進行模擬。結(jié)果表明，實驗結(jié)果和模擬數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)約為0.934。

審核編輯：劉清