一种三维点阵纳米结构电极及其制备方法.pdf

本发明属于基本电器元件领域，具体的说，本发明提供了一种三维点阵纳米结构电极及其制备方法。采用各种手段，包括物理、化学或电化学的方法制备与加工纳米功能材料是近来纳米制备技术的前沿领域。传统方法在电极表面制作电聚合高分子膜，一般使用一步法完成，该一步法可以是恒电流电解过程，也可以是恒电位电解过程。这样制备得到的电聚合高分子膜呈现的是网络状的平面展开的结构，不具有三维点阵立体结构的特征。基于多步恒电流电解技术，本发明提供了一种的三维点阵纳米高分子有序膜及其制备方法。该三维膜的比表面远大于传统方法得到的高分子膜。因此，本发明的电极可有效用于制备高通量的芯片，检测、鉴定待测物中目的分子的含量。

1.  一种三维点阵纳米结构电极，其特征在于，电极上覆盖有高分子膜，膜的总厚度为80-90nm；该高分子膜由三层组成，底层的膜呈岛状，中间层和上层的膜都是圆柱状结构的，其直径分别为20-35nm和15-25nm。

2.  如权利要求1所述的电极，其特征在于，底层膜的厚度为20-30nm，中间层的厚度为25-35nm，上层厚度为30-35nm。

3.  如权利要求1所述的电极，其特征在于，高分子膜的成分为苯胺，或吡咯，或噻吩的聚合物。

4.  一种权利要求1所述电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)清洁电极后，将电极浸于高分子膜单体的酸性溶液中，单体的浓度为0.1-0.5M；
(2)电极上的高分子膜通过由三次恒电流电解形成，每一步的电解电流密度和时间依次为：0.07～0.09mAcm^-2电聚0.4～0.6小时；0.03～0.05mAcm^-2电聚2～3小时；0.01～0.02mAcm^-2电聚2～3小时。

5.  一种如权利要求4所述的方法，其特征是(1)中使用的酸性溶液是高氯酸或者硫酸。

一种三维点阵纳米结构电极及其制备方法
技术领域
本发明属于基本电器元件领域，具体的说，本发明提供了一种三维点阵纳米结构电极及其制备方法。
背景技术
采用各种手段，包括物理、化学或电化学的方法制备与加工纳米功能材料是近来纳米制备技术的前沿领域。中国专利中已有20余项有关的方法和技术，主要涉及的方法包括化学反应法、电化学沉积法等。如中国专利01140468.x在氨基丙基三甲氧基硅烷修饰的ITO电极表面直径为2.5nm的金纳米粒子自组装单层膜为催化模版，采用化学镀得到Au(111)的纳米岛阵列薄膜及电极。专利01113646提供了一种硅基片上有序纳米管阵列的制备方法，使用电化学阳极氧化法得到10～100nm的纳米铁催化剂阵列或纳米线。专利02118756.8提供了多晶金膜的电化学表面纳米处理方法，将厚度为50～100nm的多晶金膜置于0.4～0.8mM的Ag₂SO₄及0.1M的H₂SO₄在中进行欠电位沉积与溶出处理，得到表面尺寸和形貌更为均一光滑的金(111)取向排列的金膜。现有专利中尚未提到：(1)使用电化学聚合的手段制备纳米结构高分子膜(2)使用调控电聚合实验参数来控制所得到的纳米高分子的微观三维结构。传统方法在电极表面制作电聚合高分子膜，一般使用一步法完成，该一步法可以是恒电流电解过程，也可以是恒电位电解过程。这样制备得到的电聚合高分子膜呈现的是网络状的平面展开的结构，不具有三维点阵立体结构的特征。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种三维点阵纳米结构电极，且该纳米结构是通过电化学方法制备的。
本发明的另一个目的是提供一种上述电极的制备方法，而且制备过程中每一步的电解电流密度和时间均可控制，从而控制电极膜三层结构的厚度和特性。
本发明提供了一种三维点阵纳米结构电极，该电极上覆盖有高分子膜，膜的总厚度为80-90nm；该高分子膜由三层组成，底层的膜呈岛状，直径为35-100nm；中间层和上层的膜都是圆柱状结构的，其直径分别为20-35nm和15-25nm。
较好的，该高分子膜底层膜的厚度为20-30nm，中间层的厚度为25-35nm，上层厚度为30-35nm。
本发明使用的基础电极可以是碳电极(包括石墨电极和玻碳电极)、金电极、铂电极等。
本发明的三维点阵纳米结构电极，电极上覆盖的高分子膜的成分为苯胺，或吡咯，或噻吩的聚合物。
点阵之间的平面距离为10-100nm。
本发明的另一个方面提供了一种基于多步恒电流电解技术的三维点阵纳米高分子有序膜的制备方法。根据本发明提供的方法，可以制备出与传统方法完全不同的电聚合膜。
传统电聚合膜的制备方法为一步聚合，但是这样制备得到的电聚合高分子膜呈现的是网络状的平面展开的结构。
本发明中，采用三步聚合法制备电极上的高分子膜。具体的，本发明提供的上述电极的制备方法包括以下步骤：
(1)清洁电极后，将电极浸于高分子膜单体的酸性溶液中，单体的浓度为0.1-0.5M；
(2)电极上的高分子膜通过由三次恒电流电解形成，每一步的电解电流密度和时间依次为：0.07～0.09mAcm^-2电聚0.4～0.6小时；0.03～0.05mAcm^-2电聚2～3小时；0.01～0.02mAcm^-2电聚2～3小时。
第1步电聚合后得到的底层聚合物膜的厚度约20～30nm，经过第2步后得到的第2层柱状结构高度约25～35nm，直径为20～35nm，再经过第3步电聚合后，得到立体方向上(垂直于底层平面)更细长的三维柱状结构，高度约30～35nm，直径为15～25nm。这样，经过三步电聚合后，在整个垂直于电极的平面上得到多个由纳米柱状结构的聚合物构成的点阵。构成点阵的纳米柱的总高度在80～90nm。
用于电聚合的单体，可以是苯胺、吡咯、噻吩及其衍生物；单体的浓度一般为0.1～0.5M。
介质可以采用浓度为0.5M～1.0M的高氯酸、硫酸等酸性体系。
本发明的电极是由三步恒电流电解完成的，每一步的电解电流密度和时间均可控制，相应地，所得到地三维点阵纳米膜结构和形貌特征是由上述3步电化学参数调控。测试结果表明，本发明的电极上的三维膜的比表面远大于传统方法得到的高分子膜。因此，本发明的电极可用于制备高通量的芯片，用于检测、鉴定待测物中目的分子的含量。
附图说明
图1为经过三步法电聚合后，在电极上形成三维点阵纳米结构聚合物膜的示意图。其中1为电极，2为底层岛状聚合膜，3为中层柱状结构聚合膜，4为上层柱状结构聚合膜。
图2为经过三步法电聚合后在铂金薄膜表面得到的三维点阵结构的聚苯胺。
具体实施方式
实施例通过电聚合方法制备覆盖有三维点阵结构的聚苯胺的铂电极
首先，对铂电极进行清洁。
其次，通过电聚合形成聚苯胺的三维点阵结构薄膜。将清洁后的铂电极置于浓度为0.3M的聚苯胺的高氯酸溶液，通过三步电聚合在铂电极上形成三维点阵结构薄膜。电聚合的参数分别为：第1步：0.08mAcm^-2电聚0.5小时，得到的底层聚合物膜的厚度为25nm；第2步：0.04mAcm^-2电聚2.5小时，得到的第2层为柱状结构，高度为30nm，直径为25nm；第3步：0.02mAcm^-2电聚3小时，得到立体方向上(垂直于底层平面)更细长的三维柱状结构，高度为30nm，直径为20nm。
这样，经过三步电聚合后，在整个垂直于电极的平面上得到多个由纳米柱状结构的聚合物构成的点阵。构成点阵的纳米柱的总高度为85nm。
这种三维纳米点阵电极可以在化学/生物传感器制备、蛋白质或基因芯片制作、新型电致发光器件等领域发挥重要作用。