基于非接触直写法的单取向纳米纤维气体传感器的制造与验证
2023-09-10 23:06:48 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究人员探究了用于制造纳米纤维的非接触直写方法，该方法可控并可设计用于气体传感器应用。研究人员讨论了制造直径约为200 nm的单根纳米纤维的设置条件。他们还使用蒙特卡罗方法对纳米纤维进行模拟。

电流体动力学（EHD）非接触直写是新一代喷墨打印技术，具有超高分辨率和与高粘性油墨的良好兼容性。另一方面，静电纺丝是一种广泛使用的制造纳米纤维的方法，但其在生产柔性电子器件的图案化结构时有局限性。EHD技术可以实现在刚性或柔性表面上大规模、实时和单独控制的定向纳米纤维沉积。在EHD工艺中使用电场来产生形状稳定的液滴。它可以用于制造尺寸从几微米到几十纳米不等的纤维，并且具有明显优于传统喷墨打印的分辨率。

据麦姆斯咨询报道，近日，伊朗德黑兰大学（University of Tehran）的研究人员探索了利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）聚合物制造单取向纤维的非接触直写方法。研究表明，借助于这种方法，可以以可控的方式制造具有设计结构的纳米纤维。目前正在研究这种类型的纳米纤维，目的是将其用于一氧化碳（CO）气体传感器。相关研究成果以“Fabrication and verification of a single aligned nanofibre gas sensor based on non-contact direct writing method”为题发表在Electronics Letters期刊上。

制造装置包括一个3D打印机、一个高压电源和一个注射泵。直径达3 μm的四异丙醇/聚乙烯吡咯烷酮（TTIP/PVP）纤维是通过高压直流（HVDC）电场静电纺丝制成的。

高电压系统和注射泵辅助的打印装置示意图

随着电压的增加，纤维被拉伸并延伸到基底的边缘，从而形成弯曲的纳米纤维结构，但控制这些弯曲的结构并不容易。纤维的曲率随着施加电压的增加而增加，这与理论预测一致。此外，适当的热处理和将样品放入炉中可以提高纤维的有序度并减小纤维的尺寸。纤维在放入炉前直径约为3 μm，在500℃热处理后直径约为200 nm。

通过非接触直写方法获得的热处理前的单根TTIP/PVP纤维的显微图像

通过非接触直写方法获得的热处理后的单根纳米纤维的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像

研究人员还设计了一种能够在室温下工作的气体传感器。结果表明，该传感器在室温下对CO气体具有高灵敏度响应，阈值为30 ppb。此外，还介绍了一种基于蒙特卡罗（Monte Carlo）方法的仿真技术。结果表明，该仿真方法与实验结果相吻合，具有合理的精度，在30 ppb CO气体中得到的实验结果与模拟数据的相关系数约为0.934。

CO气体浓度为30 ppb时实验结果与模拟数据的比较