Small Methods: 有序桥连CuO微米球纳米线双功能器件的原位集成与应用

尽管CuO单晶纳米线兼具准一维单晶载流子传输通道、大比表面积、优异的催化、光吸收特性及出色的空气/水稳定性,已在能源、超微型光电、传感器件中显示出独特的优势,纳米线的器件化一直是制约其大规模应用的瓶颈。相对于传统的纳米线器件化方法(先生长、再电子束曝光或纳米线定向排列、最后蒸镀电极),在镀有底电极的绝缘衬底指定区域直接生长氧化物纳米线,若生长在邻近电极的纳米线在空间中相互接触——形成导电通道,即可通过原位生长获得“桥连纳米线器件”。尽管热氧化(镀在叉指电极上)Cu膜可获得CuO纳米线,但由于Cu薄膜很容易被完全氧化而失去各向异性生长准一维CuO纳米线的驱动力,导致难以控制纳米线桥连。并且,Cu膜在氧化过程中体积会膨胀1.7倍,会在衬底界面处产生较大应力,导致CuO纳米线膜易脱落。

针对上述问题,中科院合肥物质科学研究院方晓东孟钢研究员团队同苏州大学李亮教授等团队展开合作,提出Ag牺牲层辅助图形化Cu膜在较低温度退浸润的策略,可在ITO叉指电极玻璃上获得有序Ag-Cu合金微米半球阵列,采用真空蒸发挥发掉合金中Ag后,进行热氧化,可得到有序CuO微米半球纳米线,通过掩膜(周期与孔径)及蒸镀Cu膜的厚度,可精确控制Cu微米半球的间距及尺寸,从而精确引导CuO纳米线的可控桥连。

Ag辅助的退浸润可大幅收缩Cu与衬底的接触面积,从而有效地释放热氧化过程产生的界面应力,增强纳米线同衬底的粘附及电学接触。此外,桥连纳米线器件呈现的“悬浮”结构不仅避免了载流子在纳米线/衬底界面上的散射,也为待测气体分子的吸附提供了更多的位点,有利于形成环栅效应大幅调制传感通道电信号。因此,原位生长的有序CuO桥连器件比常规无序桥连纳米线器件具有更高的气敏及光电响应。

本方法同现有微纳加工技术兼容,选用合适的牺牲层,本方法也可引导Fe、V、Co等高熔点金属膜的退浸润,通过热氧化获得桥连Fe2O3、V2O5、Co3O4纳米线(器件)。按比例缩小电极尺寸,本方法也可实现单根氧化物桥连纳米线器件的大规模、高效原位集成,推进氧化物纳米线器件的大规模批量制备及应用。

论文信息:

In Situ Assembly of Ordered Hierarchical CuO Microhemisphere Nanowire Arrays for High-Performance Bifunctional Sensing Applications

Tiantian Dai, Zanhong Deng, Xiaodong Fang,* Huadong Lu, Yong He, Junqing Chang,

Shimao Wang, Nengwei Zhu, Liang Li,* Gang Meng*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100202

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100202