應用納米SnO2石墨烯墨水3D列印一氧化碳傳感器

2021-01-21 電子工程3D列印

    美國研究人員一直在嘗試改進探測一氧化碳的方法，最近在文章「Additive Manufacturing of a Flexible Carbon Monoxide Sensor Based ona SnO2‐Graphene Nanoink.」中公開了他們研究的詳細情況。


       數以百計的人每年都會由於意外的一氧化碳中毒死亡。因為一氧化碳為無色無味且在室內或其他建築物中很容易匯集，對於人身的危害是真實存在的。市場上已經有很多的傳感單元依賴於半導體SnO2，研究人員創造了一種新的工藝來製造傳感陣列，基於「半導體催化劑修飾還原氧化石墨烯的媒介」。


       傳感器現有的製造方式比較昂貴、耗時間且需要特定的條件，如高溫及製造過程中很多步驟。


      「此外，塊體的SnO2傳感媒介通常必須被加熱至400℃以上以實現充分的CO反應。」—研究人員描述道。「這樣溫度則限制了聚合物薄膜（作為柔性和薄膜電子的支撐）的發展。」


       兩種不同的方法已經被應用於提升製造傳感器，採用納米尺寸的SnO2，可以被分散在溶液中或者基於SnO2的薄膜內，通過溶液法工藝製備。在之前所提的這些方法中已經有一些取得了成功，作者指出高溫加熱仍然還是需要或者需要個加熱器來激活反應。其他研究已經報導出低溫傳感的器件，但是工藝「既不具可擴展性且技術門檻不高」。


       這項研究中，研究人員採用高靈敏度的SnO2修飾石墨烯，成果是「完全列印的，柔性傳感器」可以在室溫環境下探測CO。


      「在這項研究中這種油墨用於製造器件，其曾被重新分散純SnO2-石墨烯製備氣溶膠。為了提高分散質量和穩定性，氣凝膠首先用研缽研杵進行研磨處理，接著採用不同的溶劑進行測試，包括NMP（甲基吡咯烷酮）、乙二醇和乙醇。在幾項案例中，超聲波分散10~12h可以獲得很好的穩定分散性。」——研究人員描述到。「最終的油墨自身的表面張力和粘度特性，分別採用Kruss 的DSA100 表面張力計和Brookfield的DV3T型流變儀。」


       通過墨滴光子能譜計算的C:O原子比例，NMP分散下的鑄制薄膜。所有的樣品在烘箱中70℃固化30min。有些樣品進行了額外的後處理。


       這項新技術提供了更好的結果，由於載入的SnO2分散相，在石墨烯片上成核。薄膜會進步進行退火處理，隨著石墨烯氧化物的減少就可以在常溫下使用。隨著薄膜的退火處理，導電性也會增加，意味著研究人員可以用更薄的膜獲得更好氣體敏感度。


合成的SnO2-rGO 複合物X射線衍射數據


     最終，研究人員注意到噴墨適合於列印，可以允許他們來創建高精度的柔性金屬線。這項技術同樣可以用於製造這個器件的活性層。


高解析度的XPS掃描選定的SnO2-石墨烯峰值分別為（A）碳（ B）氧（C）錫。

（A）在聚醯亞胺上噴墨列印 Ag梳狀電極結構（B）成功列印SnO2-rGO在NMP中的分散液墨滴以及所採用的壓電波形。（C）在PET基板上1層噴墨列印SnO2-rGO薄膜以及在銀電極上列印snO2-rGO的兩層薄膜。


  所列印CO傳感器的特殊性主要通過測試來闡述，主要是採用在H2中進行測試。在H2中暴露後，很小的波動電阻（4%）被記錄，說明了對SnO2更高的CO分子反應性。針對CO的測試，採用僅僅具有rGO在有源層（無SnO2）的傳感器進行測試，靈敏度只有2-4%。


  檢測曲線（A）縫槽具有抗CO的SnO2-rGO塗層（B）縫槽具有抗H2的SnO2-rGO塗層（C）塗布抗CO的SnO2-rGO塗層。


      「這裡報導的傳感器可以在室溫環境下工作，且具有薄、柔性的特點，可以通過可擴展、成本效益的方式進行生產製造，適用於創新型應用中及集成到不同的產品中。」


   採用3D列印製造不同的傳感器變得越來越流行，從觸摸傳感到那些用於監視目的可以被嵌入的傳感器，可以由導電材料或者更多材料製造而成。


備註：本文為譯文，僅限用於技術交流，具體可點擊「閱讀原文」查看。歡迎感興趣的小夥伴訂閱！





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