1、读大学的价值也许在，能认识未来几十年最重要的朋友，能分辨哪些人自己一辈子都不会交往，能集中解决很多困惑，从而形成自己的原则，开始学会拒绝。读大学的价值也在于你明白世界上有很多优秀的人，你开始有靠近的动力。读书，不是为了拿文凭或发财，而是成为一个有温度懂情趣会思考的人。,第五章 有机敏感材料,第1节 高分子材料基础 第2节 有机敏感材料的种类和特性第3节 超薄分子敏感膜的制备技术补充讲座： 紫外-可见分光光度分析法基本原理,有机高分子材料（C、H、O、N等），高分子是生命存在的形式,高分子化合物:高分子化合物是由大量的大分子构成的，高分子化合物又称高聚物或聚合物。特点：由于分子的化学组成及聚集状
2、态不同，而形成性能各异的高聚物。几个重要概念：单体：组成高分子化合物的低分子化合物。链节：大分子链中的重复单元。聚合度：链节的重复数目。,第1节 高分子材料基础,第1节 高分子材料基础,有机敏感材料具有的优点是： 容易加工、容易做成均匀大面积材料； 设计、合成新结构分子的自由度大，从而带来了敏感材料的多样性； 可实现在无机敏感材料中难以达到的识别功能 。,高分子材料的较好例子主要有:有机热敏电阻、红外敏感元件、有机压力传感器、超声波敏感元件、有机气体传感器，有机湿度传感器、生物传感器等。,高分子电子材料的发展过程,第1节 高分子材料基础,2000年 诺贝尔化学奖:发现和发展导电聚合物 （日本和
3、美国三位科学家）,高分子材料的特点,高聚物分子量大。 高聚物的分子量具有多分散性。 高聚物分子的空间结构排列复杂。 一般高分子材料都有比重小、强度大、电绝缘性能好、耐化学腐蚀等特点。,第1节 高分子材料基础,高分子化合物是一种化学组成相同、结构不同，而且分子量不等的同系物的混合物,一般高聚物的分子量在104106之间，比低分子有机化合物分子量大得多。,聚乙烯基咔唑 （光电导材料）,（a）线型 （b）支链型 （c）体型,根据高聚物分子中基本结构单元连接方式不同，高聚物分子的空间形态（几何构型）可分为线型、支链型和体型结构三种 。,高分子的几何构型,第1节 高分子材料基础,高聚物的常见分类方法,第
4、1节 高分子材料基础,高分子材料的结构及理化性能,A高分子材料的结构及聚集态,高聚物的结构可细分为 ：,第1节 高分子材料基础,一级结构,二级结构,所有原子（或取代基）在空间的排列，包括几何异构和立体异构，它反映了分子中原子与原子之间或或取代基与取代基之间的相对位置,B高分子材料的结构对其性能的影响,（1）高分子材料的热性能高分子材料的耐热性(Tf、Tg、Tm)高分子材料的耐寒性 (Tg、Tb)高分子材料的热稳定性(高温下降解或交联) （2）高分子材料的力学性能（抗弯、抗压、冲击）（3）高分子材料的电学性能高分子材料的导电性和介电性 高分子材料的电击穿 高分子材料的静电现象,第1节 高分子材料
5、基础,外加电场超过极限值，丧失电绝缘性能而导电,消除静电,（1）高分子材料的耐热性,保持高弹性的最高温度Tf玻璃化温度Tg熔点Tm,天然橡胶Tg=73 硅橡胶Tg=123,通过下列途径均可以提高高聚物的耐热性：（1）提高高聚物的结晶度；增加大分子链的刚性；适度交联；（2）将其他耐高温聚合物掺入共混或加入各种热稳定剂；用耐热纤维如玻璃纤维、石墨纤维等聚合物进行增强。,（1）高分子材料的耐寒性 (耐低温性),脆化点Tb的高低与分子的刚柔性有关,高聚物分子量与Tb的关系,脆化点Tb的高低与分子量有关,（2）高分子材料的力学性能,高分子材料的各种强度与分子量的关系,力学性能：物体受力后，其形变的发生、
6、发展直到被破坏的规律与特征 玻璃态的塑料或纤维 高弹性的橡胶,强大的分子间作用力使分子链不易滑动，因此力学性能随着分子量增加而提高,（3）高分子材料的导电性和介电性,理论：一般高聚物均可看成电绝缘的介电性材料，其体积电阻率在1020cm以上，因为它既无自由电子，又无可移动的离子。实际：高分子材料在直流电场中还有微小的电流产生，其原因有两方面：（1）这种电流一部分是由分子极化产生的位移电流；（2）另一部分是由于高分子材料中残存着少量单体、催化剂及其他添加剂等杂质引起的漏电电流。,第2节 有机敏感材料的种类和特性,（1） 有机敏感材料按功能的分类：,由于高分子材料的导电性随外界作用而发生变化，所以
7、可构成敏感元件。,（2）有机敏感材料的信息转换功能（表6-5）,有机敏感材料的响应特性可分为物理响应和化学响应，其中物理响应包含电磁、光、射线、温度、压力等，这些响应（信息）被转换为电特性变化。实际的敏感元件不限于只用单一的材料，任何种类的敏感材料组合起来都可构成敏感元件，因此，还可充分利用敏感材料电特性转换以外的其他响应。,第2节 有机敏感材料的种类和特性,（3）导电性高分子材料,高分子材料的导电机制可分类如下：,（1）由杂质等产生的离子传导；（2）由电子和空穴产生的能带传导和跃迁传导(有机半导体)；（3）由导电性填料形成导电通路。,离子传导是离子穿过高分子链的网孔缝隙而移动。电子传导有载流
8、子沿分子链移动的分子内传导和飞越分子链间的分子间传导。,导电性高分子材料的导电机制,极化子,导电载流子：电子、空穴、正负离子,导电性高分子材料的导电机制,如何设计才能使有机物质具有电子传导性？,改变材料本身体系结构 掺入电子接受性强的小分子,聚乙炔,增长单双健交替出现的 共轭体系长度,降低激发电子（P轨道电子参与成键的电子 ）所需的能量,（苯）平面状共轭分子,以面对面的形式紧密重叠,轨道接近或重合,掺杂剂的电子亲和力、分子的大小和浓度的不同，提高导电性的效果不一样。分子越大效果越小。如聚苯胺：化学聚合法，以HCl为掺杂剂,影响高聚物导电性的因素： 1、分子量：分子量增加电子电导增加，离子电导下
9、降2、交联：离子电导下降，电子电导增加 3、杂质：使绝缘高聚物导电性增加 4、添加剂：如极性增塑剂、导电填料等可使导电性提高5、湿度：增加电导性（极性高聚物较显著） 6、温度：温度升高导电性增加,电化学聚合制作薄膜是获得导电性高分子薄膜的一个方法。电化学掺杂是以电极为介质，提供(n型掺杂)或者接收(p型掺杂)电子，作为氧化或还原手段，从而改变共轭聚合物的荷电状态，达到提高其导电能力的目的。 电化学聚合法过程：将与高分子自身相关的单体（单基物）和电解质溶于高介电率的溶剂中，安装上像白金那样的适当电极，并在两电极间加上直流电压，从而在一边电极板上形成电解氧化聚合体薄膜。此时得到的薄膜处于含有来自电
10、解质的以阴离子为掺杂剂的具有较高电导率的状态。,举例：电化学聚合法,光照射,（4）光电导性高分子材料,光电导性或光伏效应可应用于敏感元件。,有机材料,参见光电式传感器,未进行掺杂的电子传导性高分子材料的电导率并不是很高，多数属于绝缘体，但多数是优良的光电导材料。这些高分子的光吸收特性如图。若用高分子薄膜吸收波长区域的光照射，则通常流过比暗电流大得多的光电流。,聚甲基乙炔次亚乙烯基的吸收谱,聚噻吩乙炔,聚对苯撑乙炔,光电导性高分子材料,因为压电性起因于宏观形变和内部形变，所以可在不具有对称中心的晶体中观察到。压电性物质中，有极性结构的还呈现热释电性。 将强介电性陶瓷分散在高分子中而得到的复合材料
11、也可显示压电性和热释电性。 典型材料：聚偏二氟乙烯（PVDF）,（5）压电性、热释电性高分子材料,（5）压电性、热释电性高分子材料,举例：PVDF-BaTiO3/PDDA复合超薄膜,VMS硅烷偶联剂的作用在于改善聚合物有机材料对复合的陶瓷无机材料的润湿能力，同时提高其分散性。,（5）压电性、热释电性高分子材料,未添加VMS硅烷偶联剂的薄膜中，BT陶瓷颗粒在超薄膜表面分布不均匀，团聚现象严重，自组装过程中容易脱离；添加后复合薄膜表面平整。,举例：PVDF-BaTiO3/PDDA复合超薄膜,（5）压电性、热释电性高分子材料,1. BT纳米陶瓷颗粒在静电力自组装过程中没有发生化学变化，其衍射特征峰的
12、位置不变，结晶性很好2. 根据Scherrer方程BT颗粒的粒径为25nm；包覆处理后，BT颗粒的衍射特征峰半高宽有所展宽，表明偶联剂对陶瓷颗粒有强烈的物理包覆和分散作用，计算得BT粒径减小到15nm。,举例：PVDF-BaTiO3/PDDA复合超薄膜,（5）压电性、热释电性高分子材料,电滞回线平滑、形状规则，加入BT陶瓷颗粒增强了材料的铁电特性。,举例：PVDF-BaTiO3/PDDA复合超薄膜,（6）感光性高分子材料,大规模集成电路的制造成功，离不开称为抗蚀剂的高分子材料和微细加工技术所起的作用。初期的抗蚀剂称为热抗蚀剂。该材料是因可见光照射而诱发化学反应，导致对溶剂的溶解性发生变化的材料
13、。由于电子器件高密度化的要求，希望制作微小的图案，从而要求使抗蚀剂产生化学反应的波长更短。,对于抗蚀剂，在要求能形成薄膜的同时，还希望对短波光反应敏感。从热抗蚀剂开始，现已开发出远紫外线（deep UV）抗蚀剂、软X射线抗蚀剂、电子束抗蚀剂等多种。抗蚀剂有正型和负型。正型就是在放射线照射部分产生高分子链的切断反应而增加溶解性，负型则是在照射部分产生交联反应而减少溶解性。一般说来，正型抗蚀剂分辨率优越，但灵敏度低；负型灵敏度高，但分辨率差。,第3节 超薄分子敏感膜的制备技术,3.1 LB膜技术3.2 SA膜技术3.3 超薄膜技术应用举例,只有无法活出自己生命形式的人，会花许多时间关心他人的隐私比
14、关心自己生活更多。那是多么悲惨的生命形式，一生没有真正活出自己，为父母活着，为爱人活着，到更老一点的时候，为工作、子女活着，在一切“道德”的借口里，唯独失去了真实为自己活着的诚实和勇气。 蒋勋欲爱书,3.1 LB膜技术,3.1.1 LB膜的定义3.1.2 LB膜成膜原理3.1.3 LB膜的结构类型及淀积方法 3.1.4 LB膜技术的特点,3.1.1 LB膜的定义,将含有亲水基和疏水基的两性分子在水面上形成的一个分子层厚度的膜（即单分子膜），以一定的方式累积到基板上的技术。首先由 Langmuir 和 Blodgett 首先提出，因此称为LB膜。,两位LB膜研究先驱者的照片,为纪念其创始人Lan
15、gmuir和Blodgett，习惯上将漂浮在水面上的单分子层膜叫做Langmuir膜，而将转移沉积到基片上的膜叫做LangmuirBlodgett膜，简称为LB膜。,1932年Langmuir由于他出色工作而被授予诺贝尔奖，这是与单分子层有关的第一个诺贝尔奖（对表面化学的研究与发现）。,1966年英国科学家G. L. Gaines Jr在其一部著作中，对单层和多层分子膜作了极好的描写；二十世纪60年代，德国科学家HKuhn首先意识到运用LB膜技术实现分子功能的组装并构成分子的有序系统，他率先在LB膜中引入染料分子进行光谱研究，并开展了单分子膜组装功能LB膜和能量转移体系的研究，从此揭开再次研究
16、LB膜热潮的序幕。,LB膜成膜过程,基片用于沉积LB膜之前常常要进行亲水或疏水处理。先将成膜的双亲性分子溶于挥发性的溶剂中，滴在水面上，形成成膜分子的单分子层，然后施加一定的压力，并依靠成膜分子本身的自组织能力，得到高度有序、紧密排列的分子，最后把它转移到基片表面 。,四个过程：溶解 滴液施压 转移,LB膜槽示意图,KSV5000 (KSV),（界面布鲁斯特(Brewster)角显微镜 ）,3.1.2 LB膜成膜原理,1） LB膜材料在亚相上的展开机理2）对LB膜材料的要求及有序单分子层的形成3）亚相液面上单分子膜的特征参数及状态,1）LB膜材料在亚相上的展开机理,将一定量的微溶物或不溶物B置
17、于液体A上（在LB膜方法中，A称为亚相），使其开始时以适当的厚度存在；要使成膜材料在亚相上自发展开，必须将具有低表面张力的液体放在高表面张力的液体上。反之，高表面张力的液体预期不能在具有低表面张力的液体上展开 ；由于表面成膜物称重很不方便，所以制备LB膜的一般方法是将极其微量的成膜材料溶于挥发性溶剂中，然后滴于亚相表面上，展开成膜。当溶剂挥发后，留下单分子膜。这种挥发性溶剂在亚相水面上的展开系数必须大于零，才能使铺展得以进行。例如：氯仿、苯等便是满足此条件的溶剂。,LB膜成膜过程,2）对LB膜材料的要求及有序单分子层的形成,LB成膜材料必须具有双亲基团（也称作两性基团），即亲水基团和疏水基团，
18、而且亲水基团和疏水基团的比例应比较合适？需要双亲基团的分子：如果作为分子的整体亲水性强，则分子就会溶于水，如果疏水性强，则会分离成相。正是这种既亲水又疏水的特殊的LB膜材料，才能够保持“两亲媒体平衡”状态，它可以在适当的条件下铺开在液面上形成稳定的单分子膜，而又不凝聚成单独的相，从而可以直接淀积于基板上形成LB膜。可见亲水基和疏水基的具备对于LB膜的形成具有重要意义。,常见的亲水基和疏水基,亲水基：一般都是极性基团 COOK SO4Na COONa SO3Na N(胺) COOH（羧基，羧酸） OH（羟基，氢氧基）等 疏水基：非极性基团，包括甲基、乙基、羰基、链烷烃基，环烷烃基和芳香烃基 CH
19、2 CH3=CH CH2COCH2 CF2 CF3,先将两性成膜材料溶解到诸如氯仿等有机溶剂中，再将其滴注到亚相液面上，待亚相液面上的溶剂挥发后，具有双亲基团的分子便留在液面上。 亲水与疏水共同作用的结果是：在液面上形成单分子层，亲水基团位于靠近水的一侧，而疏水基团则位于空气的一侧 。挡板压缩结果是：当用挡板对亚相液面上的单分子层进行压缩时，由于亲水基团和疏水基团的作用，就使得分子一个个整齐地“站立”于亚相表面上，从而形成了整齐有序密集排列的单分子层 。,气液界面上的单分子层示意图,整齐排列的单分子层示意图,溶剂化学惰性，不与成膜物质和亚相反应；对成膜物质有足够的溶解能力；不溶解于亚相；挥发速
20、度适中；具有相对较低的密度；高纯度。亚相通常为超纯水,3）亚相液面上单分子膜的特征参数及状态,A. 表面压 B. 表面电势 C. 表面粘度,不溶物或难溶物LB膜材料在亚相水面上形成单分子层后，表面膜中的分子具有二维空间的热运动，这种热运动将对四周的边缘产生压力，这种压力与纯溶剂时表面分子产生的压力是不等的，这就是表面压（又称为膜压）的来源。我们定义表面压为纯溶剂的表面张力 r0 与沉积了膜后的表面张力 r 之差：,膜压的测定方法通常有以下两种：第一种是Wilhelmy吊片法；第二种是用膜天平直接测定压力。,A. 表面压,（单位： mN/m 或 dyn/cm ）, 气态膜 在此状态下，每个分子所
21、占的面积很大，分子自由地浮动，大多数分子平躺在亚相表面上，彼此间没有多大作用力，分子之间互相孤立，呈二维气体状态。此时表面压一般在 0.01 - 0.001mN/m，接近于零。,理想的-A 等温曲线 （表面压-单分子面积等温线）, 液态膜 随着挡板对单分子层的挤压，表面积缩小，分子间作用力逐渐增加，压缩使气态膜逐渐转变为二维液态膜。液态膜具有粘结性，有一定程度的协同相互作用，也称为流动态膜。结构上具有一定的松散性或无组织性。它又可以具体地分为液态扩张膜和液态凝聚膜。, 固态膜在此状态下，单分子层中的分子尽可能的靠近。这种构型中，表面膜分子垂直或以某一角度倾斜于底相表面，是一种密度大而又坚硬或可
22、塑的相。此时的膜就是LB膜，是我们所需要的单一、均匀的分子膜。其可压缩性很低，-A曲线几乎是垂直的，此时状态方程近似为（其中a，b为常数）：,挡板继续移动，由于越过单分子膜的弹性限度，膜就产生重叠。最终会导致-A曲线拐折或断裂，密集排列的单分子层崩溃，有可能凝聚成核至核体，或者形成双分子层或多分子层。由图可知，不同状态在-A曲线上都有一拐点和突变。通过分析-A曲线在各个状态时的表面压，就可以确定单分子层累积的最佳表面压，获得完整、均一、无缺陷的单分子层。,举例：PVDF LB膜制备,举例：PVDF LB膜制备,PVDF单分子层：2.8 nm12层PVDF单分子层：33 nm,举例：PVDF L
23、B膜制备,薄膜均匀性提高铁电性能增强,X型,Y型,Z型,3.1.3 LB膜的结构类型及淀积方法,（1）垂直提拉法,利用适当的机械装置，将固体（如玻璃载片）垂直插入水面，上下移动，单分子膜就会附在载片上而形成一层或多层膜（Y型）。,Y型,（2）水平提拉法,在拉膜前，首先将固体载片上涂敷一层硬脂酸，然后将其水平接触液面上的单分子层膜（如图所示）。同时将挡板置于固体载片两侧，提拉固体载片。重复此过程，就可形成 X 型LB膜。它可以很好地保留分子在液面上的凝聚态和取向。,X 型LB膜,混合膜 交替膜,3.1.4 LB膜技术的特点,1）LB膜技术的优点2）LB膜技术的缺点,膜厚为分子级水平（纳米数量级）
24、，具有特殊的物理化学性质；可以制备单分子膜，也可以逐层累积，形成多层 LB 膜或超晶格结构，组装方式任意选择；可以人为选择不同的高分子材料，累积不同的分子层，使之具有多种功能；成膜可在常温常压下进行，不受时间限制，所需能量小，基本不破坏成膜材料的高分子结构；LB 膜技术在控制膜层厚度及均匀性方面远比常规制膜技术优越；可有效地利用 LB 膜分子自身的组织能力，形成新的化合物；LB膜结构容易测定，易于获得分子水平上的结构与性能之间的关系。,1）LB膜技术的优点,（1）由于 LB 膜淀积在基片上时的附着力是依靠分子间作用力，属于物理键力，因此膜的机械性能较差；（2）要获得排列整齐而且有序的 LB 膜
25、，必须使材料含有两性基团，这在一定程度上给 LB 成膜材料的设计带来困难；（3）制膜过程中需要使用氯仿等有毒的有机溶剂，这对人 体健康和环境具有很大的危害性； (4) 制膜设备昂贵，制膜技术要求很高。,2）LB膜技术的缺点,3.2 SA膜技术,3.2.1 自组装定义3.2.2 自组装膜主要特点3.2.3 单分子自组装膜简介3.2.4 静电力自组装沉积多层膜,3.2.1自组装定义,所谓自组装（selfassembly），顾名思义就是自发地组装，通常是通过分子间的化学键或超分子作用在一定的条件下自发地形成特定的有序结构。目前，自组装体系的研究不仅限于膜体系，还包括纳米管、微阵列等的组装。,3.2.
26、2 自组装膜主要特点,自组装膜是自组装技术最先研究也是最可能在电子器件中得到实际应用的体系，是具有一定功能特性的分子通过化学键作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量较低的有序膜。主要特点为：(1) 原位自发形成；(2) 热力学稳定；(3) 无论基底形状如何，其表面均可形成均匀一致的覆盖层；(4) 高密度堆积和低缺陷浓度；(5) 分子有序排列；(6) 可通过人为设计分子的结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质；(7) 有机合成和制膜有很大的灵活性和方便性。,SA技术在1946年最先由Bigelow等人进行了描述，其合作者Zisman在1964年阐明了自组装的成膜原理。Sa
27、giv在1980年首次报道了自组装单分子膜，在固体基片表面组装氧硅烷，从此将自组装膜技术作为一种专门的成膜技术进行研究。早期有关自组装膜的报道主要集中于单分子膜的自组装，且组装分子与基底多是通过共价键连接。,单分子SA膜的组装示意图,3.2.3 单分子自组装膜简介,将离子化的基片交替浸入带有相反电荷的聚电解质溶液中，静置一段时间，取出，冲洗干净，循环以上过程，则得到多层膜体系。改变聚合物的浓度、离子强度，可在纳米尺度内剪裁膜的厚度及结构。,3.2.4 静电力自组装沉积多层膜,表面阳离子化,成膜材料阴离子化,成膜材料阳离子化,3.3 超薄膜应用举例,3.3.1 聚苯胺/聚苯乙烯磺酸 SA 膜的制
28、备及表征 3.3.2 聚苯胺/二氧化钛自组装膜的制备及表征3.3.3 聚苯胺基 LB 膜的制备及气敏特性的研究3.3.4 酞菁铜 LB 膜的制备及特性研究,3.3.1 聚苯胺/聚苯乙烯磺酸 SA 膜的制备及表征,制备方法 自组装过程的 UV/Vis表征及分析,聚苯胺（）,近年来对导电聚合物的研究越来越引起人们的高度重视；在导电聚合物中，聚苯胺（）独特的热稳定性、易于制备以及对气体的敏感性等特殊性能使之具有诱人的发展前景；研究聚苯胺（）有序多层膜的相关特性，对于它在分子电子器件及化学传感器件等方面的应用，具有十分重要的价值。,将表面阳离子化的基片首先浸入1%聚苯乙烯磺酸（PSSA）的水溶液中10
29、分钟，取出后用去离子水冲洗约30秒，然后用氮气吹干；再将此基片浸入到本征态聚苯胺（PAN）的溶液中10分钟，取出后用N，N-二甲基甲酰胺冲洗干净，再用氮气吹干；将其浸入到PSSA的溶液中30分钟，用去离子水冲洗干净，吹干。重复以上过程，即得到PAN/PSSA的自组装多层膜。,制备方法,组装机理：掺杂诱导沉积效应,不同浓度聚苯胺（PAN）溶液组装得到的单层膜UV/Vis谱图,自组装过程的UV-Vis表征及分析,第一层PANI膜显本征态,第一层PSSA膜较薄，磺酸基团的运动受限，PANI未被充分掺杂,随着掺杂时间增长，320nm处的吸收峰减弱，430和850nm处的吸收峰逐渐增强,不同层数PAN/
30、PSSA自组装膜的UV/Vis谱图,PAN/PSSA自组装膜的吸光度随组装层数的变化曲线 （320 nm）,随着层数增加，吸收率线性增加，说明每次吸附的聚苯胺量是几乎相等的。估算每层膜厚为4nm。,10层PAN/PAA膜的SEM照片,浸渍聚合法制备的PAN薄膜的SEM照片,从 SEM 照片可见，聚苯胺自组装膜的表面粗糙度大大低于浸渍聚合法制得的薄膜。同浸渍聚合法类似，薄膜也呈颗粒状，但粒径比浸渍聚合法制得的小得多。,原位自组装技术,3.3.2 聚苯胺/二氧化钛自组装膜的制备及表征,PANI,PANI/TiO2,3.3.3 聚苯胺基膜制备及气敏特性研究,（1）研究意义（2）实验（3）分析及讨论（
31、4）结论,2气体传感器,由于二氧化氮（2）气体是大气中对环境和人类健康危害十分严重的污染物，因此研制简便实用、成本低的2气体传感器是近几年气体传感器领域中最重要的研究课题之一。,（1）研究意义,（2）实 验,LB膜制备工艺 特性测试方法,LB膜制备工艺-材料准备,以-甲基吡咯烷酮（）作为溶剂，配制两种铺膜液：其一为中间氧化态聚苯胺的溶液（/） 其二为中间氧化态聚苯胺与乙酸（)以101的比例混合的 溶液（-/）铺膜液浓度为 0.1/l，在B拉膜槽中，以去离子水作为亚相溶液，保持一定的亚相P值。对于纯聚苯胺和聚苯胺与乙酸的混合溶液，分别为 6.0 和 4.0。,LB膜制备工艺-实验准备,KSV-5
32、000型拉膜机； 石英和硅片作为基片； 针对/膜和-/ 膜的相关特性进行研究； 为了便于电特性的测量，硅片上刻有间距 为20的叉指电极。,特性测试方法,采用1100紫外-可见(/is)分光光度计，对不 同层数的膜进行吸收光谱的测量，以便研究聚苯胺 基膜的光谱特性；采用116型椭偏仪对聚苯胺单分子膜的厚度进行测 量，以检验制备聚苯胺膜是否在纳米数量级范围；2气体由(3)2固体粉末加热分解制得；在 膜气敏特性的测试中，使用的气体相对百分比为110-6到20010-6。通过对电阻的相对变化进行测量，来研究聚苯胺基膜对2的敏感特性和响应特性。,（3）分析及讨论,- A 曲线 -is光谱图 NO2 敏感
33、特性,面积等温线：当单分子层稳定紧密地排列在亚相上时，/的单分子面积为 0.0772。而-/的单分子面积为 0.252 。但是这两种单分子层的提膜压却非常接近，前者为 18.5/，后者为 20/。,a:/溶液b:-/溶液,-A曲线（表面张力-单分子平均面积等温线）,液态膜区短，成膜性能较好,320左右出现了由-跃迁引起的吸收峰。 在600左右出现了由 主链上醌环所产生的激子吸收峰。,PAN/NMP LB膜的- 光谱图,随沉积层数的增加，吸光率接近线性增加。根据布格-朗伯定律，说明随着沉积层数的增加，薄膜的厚度基本线性增加 聚苯胺膜的厚度可以通过沉积次数、沉积速度以及铺膜液在液面上铺展的均匀程度
34、来加以控制。,椭偏仪测得:/单分子层厚度约为 615,而-/ 单分子层厚度约为 585, 均在纳米数量级范围。,PAN-AA/NMP LB膜的- 光谱图,质子酸掺杂，激子吸收峰消失,PAN/NMP传感器敏感特性,PAN-AA/NMP传感器敏感特性,发现纯聚苯胺膜对2具有较好的敏感性？问题一聚苯胺膜的敏感性及响应时间与膜的层数有密切关系。 随层数的增加，对2的响应时间逐渐增长。 原因：膜越薄，与气体的接触越充分，被氧化的程度也越高，因而对气体的响应也就越快。 同层的/膜较/ 膜具有更快的响应。,LB膜层数对NO2敏感特性的影响,将15层聚苯胺膜放在相对百分比为20 ppm2气体中，连续测量其响应
35、与恢复特性，发现-/膜的恢复特性不可逆；而/膜在低浓度下具有一定的可逆性。每次排气后的初始恢复时间(恢复到稳定值的90%所需的时间)都较快，但是完全恢复需要较长的时间。,气敏响应恢复特性,问题三,问题二,敏感机理讨论（传感器研究的重点之一！）,聚苯胺不同于一般的导电聚合物，它的电导主要决定于两个因素：质子化程度和氧化程度。为了提高聚苯胺的导电性，不仅可以采取质子化掺杂，而且还可采取氧化掺杂。由于2是一种氧化性气体，当聚苯胺膜置于其中时，这种氧化性气体（夺电子）与聚苯胺中的-电子体系接触，电子可能发生从聚苯胺向2气体中的转移。聚苯胺将带正电荷，增加了作为型半导体聚苯胺中的空穴浓度，导电性提高，因
36、而在刚接触2时，电阻很快减小（问题二的回答）。,问题三：随着2气体浓度的增加和氧化时间的增长，氧化程度也将极大地增加，这便会改变聚苯胺原先半氧化半还原的状态，使之成为更高的氧化态，此时的导电性反而会降低（这是因为当聚苯胺处于半氧化半还原的掺杂状态时电导率最高，氧化和还原程度的过度提高都将使电导率下降），因此/膜在与气体接触一段时间后电阻反而升高，但其并不超过在空气中的电阻。,问题一： PAN/AA混合LB膜的气敏性减小，可能是因为PANI被乙酸掺杂后，乙酸分子占据了PANI中对二氧化氮分子敏感的部位（如亚胺上的N原子），使得二氧化氮氧化掺杂的可能性减小，导致敏感程度的降低及响应-恢复可逆性的丧
37、失。,3.3.4 酞菁铜膜的制备及特性,（1）研究意义（2）实验方法（3）结果分析（4）敏感机理分析,（1）研究意义,近年来，膜在气体传感器方面的应用引起了人们的极大关注。使用膜制作的气敏元件，吸附气体的速度快，选择性强，能在常温下工作，且元件的重复一致性好，便于向微型化、集成化方向发展。酞菁是一类对气体具有敏感特性的有机半导体材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性。选用一种可溶性的对称取代酞菁铜（-）4）作为成膜材料，制备了不同层数的（-）4膜，并对其2气敏特性进行了研究。,（2）实验方法,LB膜工艺 LB膜分析 气敏特性测试方法,LB 膜工艺,采用-1型半自动拉膜机，制备了不同层数的(-)4
38、膜。将(-)4溶于氯仿，配成浓度为10-4/的溶液。在拉膜槽中，以去离水作为亚相溶液，用微量注射器将溶液滴加到洁净的水面上，待溶剂完全挥发，压缩挡板，控制压缩速度为 0.24/，同时检测膜压。在表面张力为 28.5/时，分别于带有叉指电极的基片（电极间距为 20）和石英基片上沉积不同层数的膜。膜的沉积参数为:=8.2；提拉速度 1/；亚相温度 20；沉积方式为型。,LB膜分析,采用1100紫外可见（-）分光光度计测量不同层数的 （-）4 膜的吸收光谱。,气敏特性测试方法,将一定量的(3)2固体粉末置于装有冷凝管的1000的烧瓶中加热完全分解，得到浓度为 510-3的2气体。再用注射器吸取 11
39、0的该浓度气体注入 500的测试瓶中，得到浓度为 10-510-4 的 2气体。将不同层数的膜片放入不同浓度的气体中，分别测量其电阻的相对变化。对膜进行升温和碘化处理，分别测量不同层数的膜对2气体的敏感特性。同时还对处理前后膜的电阻变化进行了研究。,-吸光度随沉积层数的变化图谱,随层数增加，吸收率接近线性增加，根据“布格朗伯”定律，说明随着沉积层数的增加，薄膜的厚度基本线性增加，即每次转移（-）4到基片上的量几乎相等，转移比接近 1 。,不同层数的(-)4膜的UV -谱图,室温下1,3,5,7,9层（-）4膜对2气体的敏感特性曲线,由2气体的敏感特性曲线（ 25 ）可知：（-）4膜对2具有较好
40、的敏感特性。随着膜层数的增加，电阻的相对变化量增大，但响应速度减慢。,不同层数年的(-)4膜对NO2的敏感特性（25 ）,不同层数的（-）4膜 对2气体的敏感特性曲线（ 25 ）,膜层越薄，气体越易吸附于其上，响应越快。随拉膜次数的增加，膜的有序结构将受到环境温度、提膜速度等因素的影响，膜中的分子排列在一定程度上将受到破坏，这相当于在敏感层中增加了一层阻挡层，从而导致响应时间的增长。,不同温度下敏感特性曲线,高温下气敏膜的敏感特性也明显降低，即使浓度达10010-6电阻仍然变化不大。这是由于膜一般为物理吸附，热稳定性较差，高温下膜层遭到破坏而导致敏感性下降。,室温工作；环境影响,碘化处理效果,
41、酞菁铜是一种-型半导体，一般电阻较大。当其膜层数超过15层时，对电阻的测量较为困难。为了提高导电性，将15层（-）4膜进行碘化处理，发现处理前后电导率相差 5 个数量级。碘化后，碘以3-的形式存在于酞菁分子的柱状结构之间的通道中，将酞菁分子部分氧化，电导率提高。此时通入 2等氧化性气体，其获得酞菁环中电子的能力减弱，因而对2的敏感性降低。,结果：电导率提高，但敏 感特性变差,敏感机理分析,由于酞菁是一种 18电子系的大环共轭平面配位，面相互重叠而形成一维结构，因分子间轨道的重叠所形成的一维导电柱而发挥电子（空穴）传递的作用。当吸附氧化性气体时，被吸附的气体分子接受酞菁环上的电子并在其上形成空穴
42、。由于空穴浓度的增加而使电导增加。当敏感膜接触气体时，电阻将发生变化，因而可以由此检测其气敏特性。,补充讲座1：紫外-可见分光光度分析法基本原理,一、概述二、紫外可见吸收光谱三、分子吸收光谱与电子跃迁四、光的吸收定律,光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长、频率、光速c、波数（cm-1）等参数来描述： = c ； 波数 = 1/ = /c 光是由光子流组成，光子的能量： E = h = h c / （Planck常数：h=6.626 10 -34 J S ) 光的波长越短（频率越高），其能量越大。 白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光 单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组
43、成) 可见光区：400-750 nm 紫外光区： 近紫外区200 - 400 nm 远紫外区10 - 200 nm （真空紫外区）,一、概述,一、概述,光化学分析法:基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法,它分为光谱分析法和非光谱分析法。 光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。它有以下几类：,吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析,吸光光度法：在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,主要用
44、于有机化合物结构鉴定。紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量分析。可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。,一、概述,物质分子内部三种运动形式： （1）电子相对于原子核的运动 （2）原子核在其平衡位置附近的相对振动 （3）分子本身绕其重心的转动 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即 EEe+Ev+Er evr,一、概述,能级跃迁,紫外-可见光谱属于电子跃迁光谱。紫外-
45、可见光谱具有宽谱带特性：电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。,讨论：,（1）转动能级间的能量差Er：0.0050.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差Ev约为：0.05eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差Ee较大120eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光谱或分子的电子光谱,讨论：,（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据 （5）吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数max（物质对某波长的光的吸收能力的量度。指一定波长时，溶液的浓度为1mol/L，光程为1cm时的吸光度值 ）也作为定性的依据。不同物质的max有时可能相同，但max不一定相同； （6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。,二、紫外可见吸收光谱,1紫外光谱吸收测量,远紫外区： 空气中的水分、氧、氮及二氧化氮等对该区电磁波产生吸收，因此仪器的光路必须抽成真空，以排除干扰 提供的信息比较有限,
