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新技术：乙醇提升纳米传感器质量降低成本

澳洲麦觉理大学用乙醇改善纳米传感器制造的困境。图为用来侦测空气中污染物的微型传感器。（Jean-Pierre Clatot/AFP）

纳米传感器的应用越来越广，不过，原有的制造技术因为良率低、工艺复杂，使其成本居高不下。而澳洲一所大学研发的新技术，大大降低了纳米传感器的生产成本。

澳洲麦觉理大学（Macquarie University，MQ）开发的新技术，解决了传感器中纳米颗粒间隙过大、制造过程中需要经过长时间高温加热才能开始使用的问题。他们的做法很简单，就是在纳米传感器上滴上几滴乙醇（酒精）。该研究结果8月初发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

这一新技术的得来实属偶然。当时，麦觉理大学工程学院纳米技术实验室的研究生陈杰登（Jayden Chen）在清洗坩埚时，不慎将一些高浓度乙醇溶剂溅到正在改善由氧化锌（ZnO）纳米颗粒组成的紫外线纳米传感器“太阳手表”（Sunwatch）上。

当他发现乙醇喷洒到该传感器时，下意识地认为仪器已经被乙醇溶剂损坏。因此他深入检查传感器是否出现异常，随后有了这次惊人的发现。

这种纳米传感器，主要由无数的氧化锌纳米粒子组成，在显微镜下观察能看到这些粒子组成一个个的树突状纳米团簇（DNC）。由于它包含巨大的表面积与体积比，使得它们能够对物质进行高灵敏度的检测。

不过，该纳米传感器中的纳米颗粒与纳米颗粒之间的化学键能过于薄弱，使得纳米颗粒之间的空隙过多，无法有效使传感器正常传输电流（提高电阻）和运作。因此，需要透过基底加热，让纳米粒子能够更有效地融合在一起，以此降低缺陷和原子介面之间的干扰，使纳米传感器能够有效运作。

先前也有透过氩离子轰击、脉冲激光，让纳米粒子能够更有效地融合在一起的方法，但这些方法却有一些缺陷。例如，基底加热需要长达12小时，而氩离子轰击、脉冲激光难以在三维（3D）和大规模上均匀应用，这些缺陷限制了商业半导体纳米结构器件的前景。

这次科学家通过乙醇的诱导毛细管特性，在氧化锌纳米团簇中滴入5小滴乙醇，使得DNC薄膜中相邻的氧化锌树突状的纳米团簇顶部出现合并现象。

随着乙醇干燥后，均匀分布的纳米微簇阵列的独特图案（NMCA）底部也会合并形成类似独特的岛屿或树桩的结构，且团簇与团簇之间的缝隙会变得更狭小。

他们还观察到DNC薄膜厚度减少、孔隙率减少、平均颗粒直径增加，以及非常小纳米颗粒数量的略为减少。

对此，实验团队检测到其形态、结构、光学和电子特性也发生显著变化，极大改善了紫外探测器的光响应效率，减少了电荷传输不良的限制。

另外，他们也发现2小滴（过少）的乙醇溶剂无法对DNC薄膜发生作用，而10小滴（过多）则会严重破坏DNC薄膜结构，形成过多的裂纹。

麦觉理大学努辛‧纳西里（Noushin Nasiri）副教授对该校的新闻室解释，“目前许多材料不能用于制造传感器，在于它们无法承受熔炉中高温，因为热量会破坏传感器中的一些聚合物。例如，含有微小电极的纳米传感器（如纳米电子设备中的电极）可能被高温熔化。”

她说，“在传感层上添加一滴乙醇且不用放入烤箱，将有助于纳米颗粒表面的原子四处移动，增加颗粒与颗粒之间的结合，这使得颗粒之间的间隙缩小。”“当杰登发现这个结果时，我们仔细地尝试了所有不同数量的乙醇，最终找到最合适的量。发现过少的乙醇对于传感器不起作用，太多则溶解掉传感层。这证明乙醇极大地提高了我们传感器的激活效率（一分钟内激活），且超出了传感器加热12小时后得到的效果。”

最后纳西里教授说：“我们开发了一种使纳米传感器发挥作用的方法，并用紫外线传感器，以及检测二氧化碳、甲烷、氢气等的纳米传感器对其进行了相同的乙醇滴量测试，发现效果是相同的。”

目前该团队正在为这一技术申请专利。这一新技术有可能在纳米传感器领域引起巨大反响。