基于ZnO纳米线的圆柱形微纳米跨尺度结构的制备与表征

基于水浴法在光纤纤芯上合成了ZnO纳米线,得到了圆柱形微纳米跨尺度结构.将纳米级的随机粗糙表面叠加到微米级的圆柱形基底上,实现了对圆柱形跨尺度结构表面形貌的仿真分析.采用扫描电子显微镜(SEM)并结合Matlab图像处理算子对跨尺度结构的表面形貌和ZnO纳米线的几何特征参数进行了表征.与ZnO纳米线薄膜实际轮廓提取出的特征参数相同,对均方根粗糙度为39.2 nm、偏斜度为0.1324及峭度为2.7146的圆柱形粗糙表面进行了仿真,验证了仿真表面与实际轮廓的一致性.建立了合成工艺参数对ZnO纳米线的长度、直径及长径比等几何特征参数的影响关系,确定最佳工艺条件为:种子层溶液Zn2+浓度为1.0 mmol/L,生长液Zn2+浓度为0.03 mol/L,生长时间为1.5 h,水浴恒温90℃.

微纳跨尺度结构ZnO表面的壁面减阻特性

通过化学气相沉积方法获得了具有良好超疏水特性的微纳跨尺度结构ZnO表面,其表面接触角为150.7°。扫描电镜(SEM)的测试结果表明,样品结构为ZnO微米柱阵列和在上面交织生长的高密度ZnO针状纳米线的复合结构。通过流变仪,采用分步流动模式对样品表面在不同的剪切速率和不同间距的情况下进行测量,得到了扭矩与剪切速率之间的关系。进一步选择覆盖硅烷的光滑Si表面作为对比样品,选用40%的甘油作为试验液体,当剪切速率接近20s-1时,测试的表面滑移长度为46.8μm。这表明微纳跨尺度结构的ZnO表面可有效增加流体减阻特性,有利于制备具有减阻效应的微器件。

基于ZnO纳米线的螺旋线形跨尺度葡萄糖传感器

制备了一种基于螺旋线形跨尺度结构的酶传感器,并对该传感器进行了表征和性能测试.将30μm键合Au丝以螺旋线方式手工缠绕在125μm光纤纤芯上,在该Au螺旋线上用水浴法合成ZnO纳米线,得到螺旋线形跨尺度结构;在ZnO纳米线上物理吸附葡萄糖氧化酶(GOD),制备了葡萄糖传感器工作电极.利用扫描电子显微镜(SEM)图像和MatLab图像处理算子分别对螺旋线形跨尺度结构表面形貌及其上活力为50 units/mg的GOD吸附效果进行了定性和定量表征,分析了非高斯粗糙表面与GOD吸附效果的影响关系.基于三电极体系采用循环伏安法和计时安培法测试了制备的12个工作电极的性能,测得该类传感器的灵敏度为(1.410±0.665)μA·L/(mmol·cm2),线性范围为0^(4.292±0.652)mmol/L,Michaelis-Menten常数为(3.571±1.280)mmol/L,检出限为(14.085±8.393)μmol/L.使用活力更高的GOD可以得到性能更好的螺旋线形跨尺度葡萄糖传感器.该类传感器可广泛应用于医药、生物、食品加工及环境监测领域中尿酸、尿素、胆固醇、过氧化氢和苯酚等的检测.

Sb_2S_3纳米粒子修饰ZnO纳米片微纳分级结构的光电化学性能

采用恒电位方法,选择氯化钾和乙二胺(EDA)为添加剂,在氧化铟锡(ITO)导电玻璃上制备了高度有序的ZnO纳米片阵列,通过二次电沉积得到了ZnO纳米片上生长纳米棒的微纳分级结构.利用化学浴沉积法在ZnO基底上沉积Sb2S3纳米粒子制备出了Sb2S3/ZnO纳米片壳核结构和Sb2S3/ZnO微纳分级壳核结构.利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、瞬态光电流等对其形貌、结构组成和光电化学性能进行了表征和分析.结果表明,Sb2S3/ZnO纳米片上生长纳米棒分级壳核结构的光电流明显高于Sb2S3/ZnO纳米片壳核结构.在Sb2S3/ZnO纳米片壳核结构和Sb2S3/ZnO微纳分级壳核结构的基础上旋涂一层P3HT薄膜形成P3HT/Sb2S3/ZnO复合结构,以上述复合结构薄膜为光活性层组装成杂化太阳电池,其中,P3HT/Sb2S3/ZnO分级壳核结构杂化太阳电池的能量转换效率最高,达到了0.81%.

多尺度PAN/ZnO亲水纤维的制备及其浸润机制

为构建多尺度亲水性聚丙烯腈/氧化锌(PAN/ZnO)纤维,首先优化静电纺丝溶液和工艺参数,保持纺丝液中PAN与醋酸锌(Zn(AC)_(2))质量配比6∶1、纺丝电压20 kV、纺丝距离15 cm,制备直径分布均匀且光滑的前驱体PAN/Zn(AC)_(2)复合纤维;然后对该纤维进行预热处理,再通过低温水热反应在纤维上垂直生长出不同形貌的亚微米ZnO结构,使得ZnO纳米棒直径与PAN纤维直径大小之间存在尺度梯度,形成多尺度,并对PAN/ZnO纤维浸润机制进行了分析。采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、JY-82B视频接触角测定设备,分别对所制得纤维的晶体结构、表面官能团、水接触角进行分析测试,结果表明:无论水热生长的亚微米ZnO呈六棱柱状、片状、还是块状,只要其能垂直均匀地生长在纤维表层,所构成的多尺度PAN/ZnO纤维都能表现出优异的亲水性能。多尺度结构亲水性纤维的成功制备,对纤维及其织物的亲疏水功能性整理有参考性意义。

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题导读

激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是一种通过激光加工材料表面而形成的微纳米尺度周期性结构的现象。LIPSS的研究背景主要源于对光学加工技术的发展和微纳米加工技术的需求。随着光学加工技术的不断发展,人们越来越需要能够在微纳米尺度下进行高精度加工的方法。LIPSS作为一种自组织的结构形成方式,具有许多优势,例如加工速度快、无需使用光刻等昂贵的设备、适用于多种材料等,因此受到了广泛的关注。

微-纳米复合结构ZnO薄膜的制备及其浸润性的研究

采用水浴法,在ITO玻璃表面生长出具有微-纳复合结构的ZnO薄膜,分别用高分辨扫描电镜(SEM)和接触角测量仪对其表面形貌和表面的浸润性进行了表征。实验结果表明,随着HF使用量的增加,ZnO薄膜的微观结构由球形逐渐过渡到花瓣状,使用三甲基氯硅烷修饰后,其表面接触角由(70±0.5)°逐渐增大到(141.5±0.5)°,同时也对氢氟酸(HF)对ZnO生长的调控机理进行了探讨。

Sb_2S_3纳米粒子敏化ZnO微纳分级结构的光电化学性能

采用电化学沉积方法,选择聚乙二醇(PEG-400)和乙二胺(EDA)为添加剂,直接在ITO导电玻璃上制备了有序阵列的ZnO纳米棒,以及ZnO纳米棒上生长纳米棒微纳分级结构。采用化学浴沉积法均匀沉积Sb2S3纳米粒子,制备了Sb2S3/ZnO纳米棒壳核结构和Sb2S3/ZnO纳米棒上生长纳米棒分级壳核结构。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、瞬态光电流等分析手段对其形貌、结构和光电化学性能进行了表征和测试。研究表明,Sb2S3/ZnO纳米棒上生长纳米棒分级壳核结构阵列膜的光电流明显高于Sb2S3/ZnO纳米棒壳核结构阵列。

一种微纳跨尺度一体化的MEMS矢量水听器

随着水下消声技术的发展,水下目标探测难度越来越大,单个水听器难以实现有效探测,需组成水听器阵列,而现有微电子机械系统(MEMS)矢量水听器存在粘接纤毛一致性相对较差、阵列应用相对困难等问题。设计了一种微纳跨尺度一体化MEMS矢量水听器。根据理论与有限元仿真分析,确定了在满足水下探测频率20~1 000 Hz使用条件下的MEMS矢量水听器的基本尺寸,并对该水听器进行了微纳跨尺度一体化加工流程设计,通过一体化加工工艺方式,加工出硅纳米线作为敏感压阻单元,使该水听器压阻达到约1.2×104Ω,相比现有水听器压阻的阻值有了明显的提高,并对硅纳米线压阻进行了压阻系数测试,结果表明一体化工艺加工出的硅纳米线比传统体硅压阻系数提高了3~4倍。同时该工艺将硅纤毛与二氧化硅梁集成在一起,减少了粘接过程存在的对准精度与一致性差的问题,为MEMS矢量水听器发展提供了一个新的研究方向。

SDS-PVP复合体系中PVP对ZnO微纳结构材料气敏性能的影响

在氨水环境下,以Zn(NO_3)_2为Zn^(2+)源,分别加入相同质量SDS和不同质量比例PVP的复合体系,采用水热法制备了不同形貌的ZnO微纳结构材料.通过XRD、SEM、气敏检测分析了ZnO材料的物相、结构、形貌以及气敏性能,研究了在复合体系中PVP对ZnO微纳结构材料气敏性能的影响.结果表明:所得ZnO微纳结构均具有红锌矿结构;当体系中m_(SDS)∶m_(PVP)=1∶1时,材料气敏性能最好,并提出了可能的影响机理.

蒲草型ZnO微纳结构的制备及其润湿性研究

以较高浓度的HF调控硝酸锌和六亚甲基四胺体系中ZnO的微观形貌,发现随着HF用量的增加,ZnO继发生短棒型、花型变化后最终变为蒲草型微纳结构;其形貌和润湿性用SEM和视频接触角测量仪进行表征。ZnO薄膜形貌的变化导致其润湿性发生相应变化,而且经紫外光照射处理后,蒲草型ZnO表面润湿性可以发生从疏水到超亲水的转变(CA^0°);黑暗放置7d左右,可以回到原来的疏水状态,而且可以反复多次。

ZnO微纳结构对GaN基LED光提取效率的影响研究

基于时域有限差分法(FDTD)在GaN基LED表面分别生长了ZnO柱状与锥状微纳结构,并利用Rsoft模拟仿真软件分析了两种结构的几何参量(排列周期p、高度H、底面直径D等)对GaN基LED光提取效率的影响。结果表明两种结构均可提高器件的光提取效率,柱状结构在H=0.25μm,p=1.5μm,D=0.9μm时表现最优,其光提取效率是未加任何结构平板LED的5.6倍;而锥状结构在H=0.6μm,p=1.4μm,D=1.4μm时表现最优,其光提取效率是未加任何结构平板LED的5.3倍。研究结果对高性能GaN基LED的设计与制备具有一定指导意义。

基于微纳结构的舰船仿生流体力学研究

近些年,随着微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)和纳米技术的飞速发展,微纳尺度流体流动规律已成为研究人员关注的重要课题。微通道中流体流动的速度滑移对于流体流动有着非常重要的影响,文中主要研究了液体在微通道流动,通道直径、表面形状以及微纳结构对速度滑移的影响,并进一步分析微纳尺度下的流动机制及阻力性质,最终构建了一种特殊的仿生表面结构,希望能将其运用于舰船外表面,以达到减摩降阻效果。

微纳表面热功能结构及其脱合金原位成形方法

表面热功能结构广泛应用于热能转换与传递的各个环节,是机械与工程热物理交叉领域重要的研究方向。从加工学的角度综述了表面热功能结构的微纳发展现状和趋势。分析表明,对表面微纳结构的规则性、水热稳定性、固液界面特性的有效控制是提升传热性能的关键,也是表面微纳热功能结构加工领域的挑战。介绍了基于脱合金技术的表面纳米多孔金属结构原位成形方法及其在强化沸腾传热领域的应用现状和前景。

多尺度方法在微/纳接触行为模拟中的应用进展

多尺度方法在求解的不同区域采用不同尺度的力学模型,在精确描述材料力学行为的同时,提高了计算效率,是近年来得到较大发展和广泛应用的一种材料计算方法。介绍了跨原子和连续介质多尺度算法的过渡区设计、基本算法,以及影响算法精度的主要因素。评述了多尺度方法在微/纳粗糙表面接触行为研究中的应用,在三维多尺度算法中更好地控制温度将提高模拟精度。

微槽群结构对微纳复合表面汽泡周期的影响

将涂有250nm钛纳米涂层,且具有不同微尺度结构的微槽群竖直放置,采用高速摄影技术对热沉中的汽泡周期进行可视化研究.研究结果表明:当热流密度较小时,汽泡周期随着微槽深宽比的增加而减小;随热流密度的增大,汽泡周期逐渐减小;微尺度效应对汽泡周期的影响随着热流密度的增加而减弱.

三步法制备ZnO花状微结构疏水性薄膜

荷叶的疏水性主要来自荷叶表面的微纳复合结构.利用三步法对荷叶表面的微结构进行仿生,制备了ZnO花状微结构疏水性薄膜.首先用sol-gel法在普通玻璃衬底上生长SiO2薄膜,然后进行磁控溅射生长籽晶层,再在其上利用水热法制备出微米量级和微纳复合的2种不同的ZnO花状微结构的均匀薄膜,经有机修饰后,具有不同程度的疏水能力.用扫描电镜观察了不同微结构ZnO薄膜的表面特征,用X射线衍射研究了ZnO的结晶情况,并且研究了不同微结构对疏水性质的影响.实验结果表明:微纳复合结构可以提高薄膜疏水性,最佳三相接触角达到140°.

微纳跨尺度ZnO结构的紫外发射机理研究

利用气相输运的方法在Si(100)衬底上生长了ZnO的微纳跨尺度结构.扫描电镜照片可以明显地看到样品表面为椎顶六角微米柱-纳米棒的复合结构.样品在室温下的光致发光谱出现了很强的紫外发射峰,没有观察到与杂质或缺陷相关的深能级发射,表明样品有很好的光学质量.通过详细的研究样品的紫外发射谱与温度(83—307K)的依赖关系,发现在室温下样品的近带边发射包含两个部分,分别与自由激子发射和自由载流子到施主(受主)的跃迁(FB跃迁)相关,这个施主(受主)束缚态的离化能为124·6meV.

电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术及应用

微纳尺度3D打印是增材制造的前沿和研究热点,在航空航天、组织工程、生物医疗、微纳机电系统、新材料(超材料、轻量化材料、智能材料、复合材料)、新能源、柔性电子、印刷电子、结构电子、微纳光学器件、微流控器件、可穿戴电子产品、软体机器人等诸多领域和行业有着非常广泛的应用。介绍了课题组近年提出并建立的一种微纳尺度增材制造新工艺——电场驱动喷射沉积微纳3D打印,并论述了近年研究进展和取得的重要成果,介绍了5个工程应用案例。电场驱动喷射沉积微纳3D打印为微纳尺度3D打印和微纳制造提供了一种全新的解决方案,具有良好的工业化应用前景。

Cu_2O改性ZnO纳米阵列表面的润湿性与紫外响应行为研究

在ITO基底上采用电化学沉积法制备了Cu_2O改性的ZnO纳米阵列,通过场发射电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测量仪等对其微纳结构和表面润湿行为进行了研究。实验结果显示,低表面能Cu_2O粒子的吸附增强了ZnO纳米阵列的超疏水性。很多材料表面对水滴有较高黏附力是因为材料表面微槽中密封的空气而产生的毛细管附着力,而ZnO纳米棒阵列表面对水滴的高黏附性是因为其表面的范德华力作用。改性后样品表面形成的ZnO-Cu_2O微纳分层结构减小了样品表面与水的接触面积。另外,加上Cu_2O自身的低表面自由能,共同导致范德华力减小从而使得表面对水滴的黏附小而具有很好的超疏水性。