一種單根納米線、制備方法、氫氣傳感器及微納機電設備與流程
本發明屬于納米金屬材料技術領域，尤其涉及一種單根納米線、制備方法、氫氣傳感器及微納機電設備。
背景技術：
目前，隨著納米科技和微納機電系統的快速發展，尺寸微小化，簡單化以及便攜化的納米器件成為科研人員研究的主要熱點之一。近些年，納米金屬材料由于其獨特的光、電、催化、傳感等特性引起人們極大的關注。
貴金屬pd能夠快速吸附并裂解h2，繼而與h形成pdhx；pdhx的電阻與h的含量成正比例關系，而pdhx中的h含量又與環境中的h2濃度密切相關：h2濃度越大，其電阻就越高，從而實現h2的探測。然而，pd在與h2反應時，整體大量吸附h，易發生氫脆效應；h要與整體的pd原子反應，運行路徑較長，導致反應回復時間過長。另一方面，部分研究人員利用間斷的pd納米線，也實現了對h2的快速探測。起初，由于pd納米線間斷，其電阻較大，當與h2接觸時，pd吸附h2體積迅速膨脹，從而使間斷的納米線連接，電阻減小，來實現納米線的探測。這種方法一般只能探測高濃度h2，其檢測限比較高，無法滿足現實需求。
現有技術機理分兩種，第一種，thesurfacescattering-baseddetectionofhydrogeninairusingaplatinumnanowiredoi.org/10.1021/nl300602m；生成pdhx，電阻變大。
第二種，hydrogensensorsandswitchesfromelectrodepositedpalladiumdoi:10.1126/science.1063189；斷裂納米線因膨脹重新連接，電阻減小。
上面兩種都是pd整體內部反應。
通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：(1)現有技術的pd材料h2傳感器中pd薄膜尺寸大，比表面積大導致氫敏性能差。
(2)現有技術中，pd納米線往往較厚度，靈敏度不高，反應回復時間長，無法滿足應用需求。(現有成果中pd納米線普遍較厚，本發明是超薄納米線，30nm(圖5和6)的是重復現有實驗結果，一致性好，電阻變大。5nm時電阻減小，靈敏度提高(圖7和8)。
(3)對于pd的氫敏性能研究，人們忽略了其表面的吸附作用。尤其在納米尺度下，材料具有極大比表面積，表面也會對電阻產生顯著影響。
(4)基于pd納米線的h2傳感器件穩定性較差，易發生氫脆效應導致器件失效損壞，其次器件的整體穩固性有待提高。
解決以上問題及缺陷的難度為：解決以上問題難度較大，需要從材料結構或機理著手，深入研究改善。
解決以上問題及缺陷的意義為：pd在h2傳感器應用方面是最具潛力的單元素材料，相對于其他化合物材料，其用料、制作都比較簡單。如何利用pd研制出高性能h2傳感器件，對未來氫能源的使用具有深遠意義。
本發明主要創新點是根據不同的實驗數據(現象)得出不同反應機理分析，現有技術生成pdhx，電阻變大。或斷裂納米線因膨脹重新連接，電阻減小。現有技術都是pd整體內部反應，而本發明是表面吸附作用，電阻減小。
技術實現要素：
為了解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種單根納米線、制備方法、氫氣傳感器及微納機電設備。具體涉及一種用于氫氣傳感器的單根pd納米線的制備方法。
本發明是這樣實現的，一種單根納米線，設置有基底；
所述基底上沉積有金屬層；
所述金屬層中間刻蝕有溝道；
所述溝道內沉積有單根納米線。
進一步，所述基底為sio2/si；
所述金屬層包括ti和au；
所述納米線為pd納米線。
進一步，所述基于單根納米線長和寬約為3.5μm和300nm，厚度分別約為5nm和30nm。
本發明另一目的在于提供一種所述單根納米線的制備方法，包括：
步驟一，在sio2/si基底利用光刻、濺射或lift-off基本mems工藝制作au電極；
步驟二，在具有金電極的基底上利用電子束曝光技術、濺射或lift-off基本mems工藝制作制備pd納米線。
進一步，所述步驟一au電極制作方法包括：
(1)在清洗干凈的sio2/si基底旋涂光刻膠，再把該基片置于加熱臺烘烤；烘烤溫度為100℃、烘烤時間為3min；
(2)將基底置于光刻機的載物臺上，蓋上特制的金屬掩膜版，利用紫外光曝光兩次；兩次曝光時間分別是5s和10s，第一次曝光后100℃烘烤2min；
(3)將曝光后的基片放在顯影液中漂洗，進行再次烘烤；顯影時間為40s,烘烤溫度為100℃，時間為30min；
(4)利用磁控濺射儀在上述基底表面分別沉積金屬ti和au，然后置于丙酮溶液中超聲清洗去掉光刻膠，既得所需電極；金屬ti和au厚度分別為20nm和20nm，超聲時間為3min；au電極的中間溝道為3.5μm。
進一步，所述步驟二中，單根pt納米線制備方法包括：
(i)首先在干凈的具有金電極的基底旋涂50μl甲基丙烯酸甲酯，150℃下烘3min；接著旋涂50μl聚甲基丙烯酸甲酯，180℃下烘烤1.5min；
(ii)將準備好的放入樣品倉中，在二次電子圖像下，依據所留路徑一步步接近要刻蝕的位置，利用電子束曝光技術進行曝光；刻蝕圖案設置為單根納米線，電子顯微鏡的電壓和束流分別為30kev和100μa；
(iii)將曝光后的樣品放在顯影液中侵泡1min，然后用去離子水沖洗；顯影液由二甲基甲醇和4-甲基-2-戊酮以1：3比例配比而成；
(iv)利用磁控濺射儀在曝光過的樣品上濺射pd，薄膜的厚度根據濺射的時間控制，再將樣品放入丙酮浸泡24h，用去離子水清洗干凈，既得所需單根pd納米線。
進一步，所述步驟二中pd納米線的長、寬、高分別約為3.5μm×300nm×5nm和3.5μm×300nm×30nm。
本發明的另一目的在于提供一種利用所述pd納米線制備的氫氣傳感器。所述基于單根pd納米線h2傳感器件有兩種。如圖9。
本發明的另一目的在于提供一種利用所述單根納米線制備的微納機電設備。
結合上述的所有技術方案，本發明所具備的優點及積極效果為：
本發明納米線是利用ebl曝光技術制備，pd納米線的尺寸、位置、數量可以根據需求實現可控調節。
本發明連接電極厚度只有50nm，而且用磁控濺射的方法制備薄膜，電極與超薄納米線的連接更加緊密，器件牢固穩定。
本發明提供的納米線為超薄納米線，有效的提高了材料的比表面積，其氫敏性能更加優異，如圖7和圖8。
本發明有效抑制了pd在高濃度h2條件下的相變反應，有效解決了器件因氫脆效應引起的失效損壞問題。
本發明著重分析了pd納米線的表面氫敏反應。現有技術利用pd探測h2，依據有二：其一pd與h2反應生成pdhx，其電阻變大，如圖5和6。另外一方面，是利用pd遇到高濃度h2，體積膨脹使斷裂的pd材料閉合，電阻變小來實現h2的探測。而本發明中，制備超薄納米線，凸顯其表面的吸附作用，致使其電阻變小來實現h2的探測，如圖7和8。補缺了其他科研工作者忽略的pd與h的表面反應，為深入分析貴金屬的氣體傳感提供了新的視角。
附圖說明
為了更清楚地說明本申請實施例的技術方案，下面將對本申請實施例中所需要使用的附圖做簡單的介紹，顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本申請的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的單根納米線陣列的制備方法流程圖。
圖2是本發明實施例提供傳感器件實物圖。
圖3是本發明實施例提供的傳感器電極的sem圖。
圖4是本發明實施例提供的pd納米線的sem圖。
圖5是本發明實施例提供的30nm厚pd納米線0.1％h2濃度下反應循環圖和不同h2濃度的反應圖一。
圖6是本發明實施例提供的30nm厚pd納米線0.1％h2濃度下反應循環圖和不同h2濃度的反應圖二。
圖7是本發明實施例提供的5nm厚pd納米線0.1％h2濃度下反應循環圖和不同h2濃度的反應圖一。
圖8是本發明實施例提供的5nm厚pd納米線0.1％h2濃度下反應循環圖和不同h2濃度的反應圖二。
圖9是本發明實施例提供的兩種氫氣傳感器件實物圖。圖中：1、pd納米線(兩個器件只是納米線厚度不同)；2、用于連接萬用表測試的au電極；3、基底中的sio2層；4、基底中的si層。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種單根納米線、制備方法、氫氣傳感器及微納機電設備，下面結合附圖對本發明作詳細的描述。
本發明提供一種單根納米線，設置有基底。
所述基底上沉積有金屬層。
所述金屬層中間刻蝕有溝道。
所述溝道內沉積有單根納米線。
在本發明中，基底為sio2/si；金屬層包括ti和au；納米線為pd納米線。
在本發明中，基于單根納米線長和寬約為3.5μm和300nm，厚度分別約為5nm和30nm。
如圖1所示，本發明提供一種所述單根納米線的制備方法，包括：
s101，在sio2/si基底利用光刻、濺射或lift-off基本mems工藝制作au電極。
s102，在具有金電極的基底上利用電子束曝光技術、濺射或lift-off基本mems工藝制作制備pd納米線。
所述步驟s101au電極制作方法包括：
(1)在清洗干凈的sio2/si基底旋涂光刻膠，再把該基片置于加熱臺烘烤；烘烤溫度為100℃、烘烤時間為3min。
(2)將基底置于光刻機的載物臺上，蓋上特制的金屬掩膜版，利用紫外光曝光兩次；兩次曝光時間分別是5s和10s，第一次曝光后100℃烘烤2min。
(3)將曝光后的基片放在顯影液中漂洗，進行再次烘烤；顯影時間為40s,烘烤溫度為100℃，時間為30min。
(4)利用磁控濺射儀在上述基底表面分別沉積金屬ti和au，然后置于丙酮溶液中超聲清洗去掉光刻膠，既得所需電極；金屬ti和au厚度分別為20nm和20nm，超聲時間為3min；au電極的中間溝道為3.5μm。
所述步驟s102中，單根pt納米線制備方法包括：
(i)首先在干凈的具有金電極的基底旋涂50μl甲基丙烯酸甲酯，150℃下烘3min；接著旋涂50μl聚甲基丙烯酸甲酯，180℃下烘烤1.5min。
(ii)將準備好的放入樣品倉中，在二次電子圖像下，依據所留路徑一步步接近要刻蝕的位置，利用電子束曝光技術進行曝光；刻蝕圖案設置為單根納米線，電子顯微鏡的電壓和束流分別為30kev和100μa。
(iii)將曝光后的樣品放在顯影液中侵泡1min，然后用去離子水沖洗；顯影液由二甲基甲醇和4-甲基-2-戊酮以1：3比例配比而成。
(iv)利用磁控濺射儀在曝光過的樣品上濺射pd，薄膜的厚度根據濺射的時間控制，再將樣品放入丙酮浸泡24h，用去離子水清洗干凈，既得所需納米線。
所述步驟s102中pd納米線的長、寬、高分別為3.5μm×300nm×5nm和3.5μm×300nm×30nm。
本發明提供一種利用所述pd納米線制備的氫氣傳感器。所述基于單根pd納米線h2傳感器件有兩種。
下面結合具體實施例對本發明作進一步描述。
實施例：
步驟一：au電極制備
a、在清洗干凈的sio2/si基底旋涂光刻膠(az5214),之后再把該基片置于加熱臺烘烤；本發明中設定烘烤溫度為100℃、烘烤時間為3min。
b、將基底置于光刻機的載物臺上，蓋上特制的金屬掩膜版，利用紫外光曝光兩次；設定兩次曝光時間分別是5s和10s，第一次曝光之后要100℃烘烤2min。
c、將曝光后的基片放在適量顯影液中“漂洗”，之后進行再次烘烤；設定顯影時間為40s,烘烤溫度為100℃，時間為30min。
d、利用磁控濺射儀在上述基底表面分別沉積金屬ti和au，然后置于丙酮溶液中超聲清洗去掉光刻膠，既得所需電極，圖3為所做電極的sem圖；設定的金屬ti和au厚度分別為大致25nm和25nm，超聲時間約為3min；所示au電極的中間溝道大致為3.5μm。
步驟二：pd納米線的制備
首先在干凈的具有金電極的基底旋涂50μl甲基丙烯酸甲酯，150℃下烘3min；接著旋涂50μl聚甲基丙烯酸甲酯，180℃下烘烤1.5min。
(2)將準備好的放入樣品倉中，在二次電子圖像下，依據所留路徑一步步接近要刻蝕的位置，利用電子束曝光技術進行曝光。刻蝕圖案設置為單根納米線，電子顯微鏡的電壓和束流分別為30kev和100μa。
(3)將曝光后的樣品放在顯影液中侵泡1min，然后用去離子水沖洗。顯影液由二甲基甲醇和4-甲基-2-戊酮以1：3比例配比而成。
(4)利用磁控濺射儀在曝光過的樣品上濺射pd，濺射時間為2.5s和15s，之后將樣品放入丙酮浸泡24h，用去離子水清洗干凈，既得所需厚度分別為5nm和30nm的pd納米線,如圖4所示。
本發明著重分析了pd納米線的表面氫敏反應。利用pd探測h2，依據有二：其一pd與h2反應生成pdhx，其電阻變大，如圖5和6。另外一方面，是利用pd遇到高濃度h2，體積膨脹使斷裂的pd材料閉合，電阻變小來實現h2的探測。而本發明中，制備超薄納米線，凸顯其表面的吸附作用，致使其電阻變小來實現h2的探測，如圖7和8。補缺了其他科研工作者忽略的pd與h的表面反應，為深入分析貴金屬的氣體傳感提供了新的視角。
圖9是本發明實施例提供的兩種氫氣傳感器件實物圖。圖中：pd納米線1(兩個器件只是納米線厚度不同)；用于連接萬用表測試的au電極2；基底中的sio2層3、基底中的si層4。
以上所述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種單根納米線，其特征在于，所述單根納米線設置有基底；
所述基底上沉積有金屬層；
所述金屬層中間刻蝕有溝道；
所述溝道內沉積有單根納米線。
2.如權利要求1所述的單根納米線，其特征在于，所述基底為sio2/si；
所述金屬層包括ti和au；所述納米線為pd納米線。
3.如權利要求1所述的單根納米線，其特征在于，所述基于單根納米線長和寬為3.5μm和300nm，厚度分別為5nm和30nm。
4.一種如權利要求1～3所述單根納米線的制備方法，其特征在于，所述納米線的制備方法包括：
步驟一，在sio2/si基底利用光刻、濺射或lift-off基本mems工藝制作au電極；
步驟二，在具有金電極的基底上利用電子束曝光技術、濺射或lift-off基本mems工藝制作制備pd納米線。
5.如權利要求4所述單根納米線的制備方法，其特征在于，所述步驟一au電極制作方法包括：
(1)在清洗干凈的sio2/si基底旋涂光刻膠，再把該基片置于加熱臺烘烤；烘烤溫度為100℃、烘烤時間為3min；
(2)將基底置于光刻機的載物臺上，蓋上特制的掩膜版，利用紫外光曝光兩次；兩次曝光時間分別是5s和10s，第一次曝光后100℃烘烤2min；
(3)將曝光后的基片放在顯影液中漂洗，進行再次烘烤；顯影時間為40s,烘烤溫度為100℃，時間為30min；
(4)利用磁控濺射儀在上述基底表面分別沉積金屬ti和au，然后置于丙酮溶液中超聲清洗去掉光刻膠，既得所需電極；金屬ti和au厚度分別為20nm和20nm，超聲時間為3min；au電極的中間溝道為3.5μm。
6.如權利要求4所述的單根納米線的制備方法，其特征在于，所述步驟二中，單根pd納米線制備方法包括：
(i)首先在干凈的具有金電極的基底旋涂50μl甲基丙烯酸甲酯，150℃下烘3min；接著旋涂50μl聚甲基丙烯酸甲酯，180℃下烘烤1.5min；
(ii)將準備好的樣品放入樣品倉中，在二次電子圖像下，依據所留路徑一步步接近要刻蝕的位置，利用電子束曝光技術進行曝光；刻蝕圖案設置為單根納米線，電壓和束流分別為30kev和100μa；
(iii)將曝光后的樣品放在顯影液中侵泡1min，然后用去離子水沖洗；顯影液由二甲基甲醇和4-甲基-2-戊酮以1：3比例配比而成；
(iv)利用磁控濺射儀在曝光過的樣品上濺射pd，薄膜的厚度根據濺射的時間控制，再將樣品放入丙酮浸泡24h，用去離子水清洗干凈，得所述單根pd納米線。
7.如權利要求4所述的單根納米線的制備方法，其特征在于，所述步驟二中pd納米線的長、寬、高分別為3.5μm×300nm×5nm和3.5μm×300nm×30nm。
8.一種利用權利要求1～3所述單根納米線制備的氫氣傳感器。
9.一種利用權利要求1～3所述單根納米線制備的微納機電設備。
技術總結
本發明屬于納米金屬材料技術領域，公開了一種單根納米線、制備方法、氫氣傳感器及微納機電設備，基底上沉積有金屬層；金屬層中間刻蝕有溝道；溝道內沉積有單根納米線。本發明提供的納米線超薄，解決了以Pd作為氫敏材料反應靈敏度不高等問題。相對于Pd薄膜，納米線的比表面積大，其氫敏性能更加優異。本發明是在可視化條件下操作的，Pd納米線的尺寸、位置、數量可以根據需求實現可控調節。
