高性能フレキシブルガスセンサー応用へ向けた酸化銅ナノ構造体の形態制御

用于高性能柔性气体传感器应用的氧化铜纳米结构的形态控制

基本信息

批准号：
21J14645
负责人：
新田亮介
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、①溶液成膜法の１種であるスピンスプレー法を用いてのCuOナノ構造体の低温成膜およびその構造制御と②フレキシブル基板上へ成膜したCuOナノ構造体を用いての高性能フレキシブルガスセンサの作製の２点を目指す。まず①についてであるが、スピンスプレー法によるCuO膜の作製において、前駆体溶液のｐHや添加物によってCuO膜の構造が大きく変化することが判明した。本研究では、前駆体溶液に加える添加剤としてアンモニア,エチレンジアミン(EDA),クエン酸の３種類を用意し、その大きさや官能基、錯安定度などの観点からCuO結晶成長メカニズムについて詳細に調査した。アミノ基を持つEDAを用いた場合、試料はナノシートアレイ構造となり、一方ヒドロキシ基を持つクエン酸を用いた場合、ナノシートが凝集した緻密膜となった。このような構造の変化は添加剤が持つ官能基の極性が大きく影響しており、極性が大きいヒドロキシ基はCuOナノシートの凝集を促進させ、逆に比較的極性が小さいアミノ基は凝集を阻害することが分かった。以上より、スピンスプレー法を用いて添加剤を調整することでCuO膜のナノスケールでの構造制御が可能であることが示された。また②ついてであるが、スピンスプレー法を用いてフレキシブルPET基板上に様々な形状のCuOナノ構造体を密着性良く堆積させることに成功した。作製したCuOナノ構造体の湿度変化に対する応答性を評価したところ、CuOナノシートが凝集した緻密膜は湿度に対して全く応答しなかった。一方ナノシートアレイ構造を持ったCuO膜は湿度に対して高い感度で応答し、湿度センサとして応用可能であることが判明した。加えてCuOナノシートアレイ構造体は１０００回の曲げ試験後でも安定して湿度をセンシングでき、高い曲げ耐久性を持っており、フレキシブルガスセンサとして有望な材料構造であることが示された。

这项研究的目的是两点：（1）使用自旋喷雾法，一种溶液沉积方法的CuO纳米结构形成低温膜，以及（2）使用在柔性基材上形成的CUO纳米结构来制造高性能柔性气体传感器。首先，关于①，发现在通过自旋喷雾法制备CuO膜时，CuO膜的结构显着变化，具体取决于前体溶液和添加剂的pH。在这项研究中，准备了三种添加到前体溶液中的添加剂：氨，乙二胺（EDA）和柠檬酸，并从其大小，功能组，复杂稳定性和其他因素的角度详细研究了CUO晶体生长机制。当使用带有氨基组的EDA时，样品具有纳米片阵列结构，而使用带有羟基的柠檬酸时，样品的样品具有浓密的膜，带有凝聚的纳米片。已经发现，这种结构变化对添加剂持有的官能团的极性有重大影响，并且发现具有高极性的羟基促进了CuO纳米片的聚集，而极性氨基的极性相对较小，极性抑制了极性抑制聚集。从上面可以看出，可以使用自旋喷雾法调节添加剂来实现CUO膜的纳米级结构控制。关于②，我们成功地使用具有良好粘附的自旋喷雾方法将各种CuO纳米结构的各种形状沉积在柔性PET底物上。当评估了制造的CuO纳米结构对湿度变化的反应性时，将Cuo纳米片被聚集的致密膜根本没有响应湿度。另一方面，具有纳米片阵列结构的CUO膜对湿度的高灵敏度有何反应，并且被发现适用于湿度传感器。此外，即使经过1000次弯曲测试，CUO纳米片阵列结构也可以稳定地感知湿度，并且具有较高的弯曲耐用性，并且已被证明是柔性气体传感器的有希望的材料结构。