纳米线传感器研究进展 曹渊 袁庆华 夏之宁重点

纳米线传感器研究进展

曹渊袁庆华夏之宁∗

(重庆大学化学化工学院重庆 400044

摘要纳米线传感器具有尺寸小、灵敏度高、响应快和能耗低的优点,在化学及生物等领域有广泛的应用前景, 已成为研究的热点。本文从制备、组装和应用等方面评述了基于纳米线的气体及生物传感器的研究进展,并对纳米线传感器的应用前景进行了展望。

关键词纳米线制备组装传感器

Advance on Nanowire Sensor

Cao Yuan, Yuan Qinghua, Xia Zhining

(College of Chemistry and Chemical Engineering , Chongqing University , Chongqing 400044

Abstract Due to the small size, high sensitivity, real time detection, fast response and ultra-low power demands, nanowire sensors are being investigated for detection of a wide range of chemical and biochemical species. The advances in gas sensors and biosensors based on nanowires including their fabrication, assembly, functionalization and applications had been addressed. Finally, the development of this field in the future was prospected.

Keywords Nanowire , fabrication, assembly, Sensor

传感器在微型化、自动化、选择性、稳定性、灵敏性、响应时间和使用寿命等方面的要求越来越高, 新型传感材料的开发应用越来越受到重视。采用新材料制作新型传感器已成为研究的重要方向之一, 以纳米线作传感器敏感材料的研究尤其引人注目。这主要在于一维纳米材料有巨大的比表面积、很高的表面活性,所以对周

围环境尤其敏感。目前,纳米线传感器研究已取得不少重要成果, 本文从纳米线的制备、纳米线传感器的组装及其应用等方面对其进行综述。

1 纳米线的制备

制备纳米线主要依据以下几种原理 :1利用固体固有的各向异性结晶结构来实现一维方向的生长, 2 引进液 -固界面降低结晶种子的对称性, 3 利用各种模板(DNA 或氧化铝等来制备一维纳米结构, 4 利用过饱和控制来修饰成核种子的生长习性和5 利用合适的催化剂控制成核种子不同晶面的生长速率。方法上可分为物理方法和化学方法。物理方法采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发,然后使原子或分子结合形成纳米线,如热蒸法 [1,2]、激光烧蚀法 [3]等。化学方法一般采用“自下而上” 的方法, 即通过适当的化学反应, 从分子、原子出发制备纳米材料,可分为化学气相沉积法 (CVD [4]、模板法 [5]、氧化物辅助法 [6]、水热法 [7]等。一种好的方法应该是纳米结构的生长及性能、形态的控制协同进行。物理方法大多需要用到昂贵的设备和苛刻的实验条件,比较而言,化学方法显得更为灵活有效。用作传感元件的纳米线主要有半导体纳米线、金属纳米线及导电高分子纳米线。制备方法的综述已较多 [8]。

2 纳米线传感器的组装

对纳米线进行合理的排列和搭接是将其用于传感器的关健步骤。主要用到两类方法, 其一是利用宏观场力 (如电场,磁场对纳米线进行组装,其二是利用模板的空间限域效应来进行组装。

国家自然科学基金项目 (207759096和科技部国际合作项目 (2006DFA43520资助

2008-02-22收稿, 2008-04-09接受

电场驱动组装要求材料能够导电,如金属、半导体等。 Duan 等 [9,10]将在加有50~100 V电压的两个电极之间的衬底上滴加一滴分散了 InP 纳米线的溶液,溶液中的纳米线在电场作用下自组装排列成平行的纳米线阵列, 如果再在垂直方向上加一

个电场, 重复以上组装步骤, 即可获得一个十字结。 Smith 等 [11]将一对梳状电极相互交叉地组装在 SiO 2衬底上,再将分散了金纳米线的溶液滴加到这两列电极间, 当在两个电极之间通入交流电时, 纳米线就极化而按电力线排列, 导致两个不同电极邻齿间的桥联, 这样就可测量金纳米线的电学性质, 也可用施加电场的方法将纳米线首尾相联成链。 Hermanson 等 [12]利用交流电场成功将悬浮在水溶液中的金纳米颗粒组装形成长度超过 5 nm、能自我修复的细微导线。 Zande 等 [13,14]通过电场辅助使溶胶中的单根金纳米线排列到电极上。 Englader 等 [15]用电场实现了 Si 纳米线的排列。磁性纳米线则可用磁场进行组装。 Tanase 等 [16]以多孔氧化铝做模板, 用电化学的方法制备得到 Ni 纳米线,再在其表面修饰上一层荧光卟琳分子,在高粘度的 16烷 -18烷混合溶剂中,施加磁场后这种 Ni 纳米线自动排布成平行阵列。 Crone 等 [17]利用磁场作用,巧妙地实现了 CuSn 合金纳米线在两个 Ni 电极间的有序排列。 Jiang 等 [18]通过改进传统静电纺丝装置,发明了一种“磁电纺”技术。在传统静电纺丝中加入两块平行排列的永磁铁,将磁性纳米颗粒加入用于电纺的高分子溶液中,磁化的高分子溶液在高电压的作用下形成纳米纤维;这种含有磁性粒子的纤维在磁场作用下顺着磁力线方向排列,形成平行排列的纳米纤维阵列。

相对于随机沉积来说,宏观场力的方法更简便,容易通过调节电场、磁场强弱来实现对组装体系的控制。但是此类方法也有一定局限,首先,它们只对能在电场中极化或者具有磁性的物质才适用;其次,只能在平行于电场、磁场的方向上实现纳米线的分离,在垂直于场的方向上难以分离;再则,当需要进行复杂组装,比如构筑纳米线的功能网络时,所需要的复杂微电极制备起来也很困难。

利用固体模板的空间限域效应对纳米材料进行组装,则无上述限制。 1997年, van Blaaderen 等 [19]曾利用固体模板的空间限域效应完成了对零维纳米材料的组装,制备了三维有序的超晶格结构。 Yin等 [20~22]利用高分子模板对多种单分散的球形粒子进行组装,制备了相应的阵列。但这些研究旨在探讨各向同性的零维量子点的组装规律, 而一维纳米材料的各向异性,及其本身制备上的困难,使得利用模板法对其进行组装的研究还很不充分。制备有序纳米线的二维组装结构常用的方法还有 Langmuir-Blodgett 膜技术。 Lieber 等 [23]将 L-B 膜技术与光刻技术结合,控制平