教学课件PPT有机敏感材料.ppt

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第五章 补 紫外 可见分光光度分析法基本原理 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 高分子电子材料的发展过程 第1节高分子材料基础 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 见下页 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10 10之间 比低分子有机化合物分子量大得多 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 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 tm 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节高分子材料基础 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 主链上含芳香环 杂环的链刚性大 玻璃化温度也高 高分子主链中c c c o o si 链较柔顺 玻璃化温度也低 通过下列途径均可以提高高聚物的耐热性 提高高聚物的结晶度 增加大分子链的刚性 适度交联 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 高分子材料的耐寒性 保持其一定强度而不变脆的温度是脆化点tb 高聚物分子量与tg的关系 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 高分子材料的导电性和介电性 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1020 cm以上 因为它既无自由电子 又无可移动的离子 但实际上高分子材料在直流电场中还有微小的电流产生 这种电流一部分是由分子极化产生的位移电流 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 高聚物的聚合度增大 结晶度增加 交联度增大均可使高聚物的导电性减小 而高聚物的极性增大 湿度升高则使导电性增大 第2节有机敏感材料的种类和特性 有机敏感材料按功能的分类 有机敏感材料的信息转换功能 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 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 3 由导电性填料形成导电通路 由于高分子材料的导电性随外界作用而发生变化 所以可构成敏感元件 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 无论什么高分子其自身都具有半导体区域的电导率 通过掺入电子接受性强的小分子可实现高电导 电子接受性掺杂剂的作用是极其重要的 其电子亲和力 分子的大小和浓度的不同 提高导电性的效果也不一样 分子越大效果越小 共轭系高分子的电导率对掺杂浓度的依赖关系 掺杂对共轭系高分子的电导率浓度的影响 为什么 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解质的以阴离子为掺杂剂的具有较高电导率的状态 去除掺杂剂的方法 对含有掺杂剂的电解聚合高分子薄膜加上相反的电压可去除掺杂剂 电化学聚合法 制备掺杂的电解聚合高分子薄膜的方法 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 对聚对苯乙炔 有机材料被光照射时所产生的各种物性变化如图 其变化机制可分为 分子激发和生成电子性载流子 由分子激发可产生光电子发射 光介电效应等 另外因光照产生载流子从而有光电导性或光伏效应 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 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 聚肽等薄膜具有压电性 但由于无极性 所以没有热释电性 将强介电性陶瓷分散在高分子中而得到的复合材料也可显示压电性和热释电性 压电性 热释电性高分子材料 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 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 deepuv 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 感光性高分子材料 第3节超薄分子敏感膜的制备技术 3 1lb膜技术3 2sa膜技术3 3超薄膜技术应用举例 3 1lb膜技术 3 1 1lb膜的定义3 1 2lb膜成膜原理3 1 3lb膜的结构类型及淀积方法3 1 4lb膜技术的特点 3 1 1lb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 图1两位lb膜研究先驱者的照片 为纪念其创始人langmuir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langmuir blodgett膜 简称为lb膜 1966年英国科学家g l gainesjr在其一部著作中 对单层和多层分子膜作了极好的描写 60年代 德国科学家h kuhn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lb膜热潮的序幕 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 lb膜成膜过程 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 3 1 2lb膜成膜原理 1 lb膜材料在亚相上的展开机理2 典型的lb膜材料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 2 典型的lb膜材料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 而且亲水基团和疏水基团的比例应比较合适 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 cook so4na coona so3na n 胺 cooh oh等疏水基 ch2 ch3 ch ch2 co ch2 cf2 cf3等 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 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 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 b 表面电势 表面电势是指液体表面和金属探针表面之间的volta电势差 在铺膜前后 这种电势差是不一样的 气态膜在此状态下 每个分子所占的面积很大 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 这个单位与mn m是什么关系 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 其 a曲线外推到 为零时的面积比分子的实际横截面积大 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 3 1 3lb膜的结构类型及淀积方法 1 lb膜的结构类型2 lb膜的淀积方法 1 lb膜的结构类型 混合膜交替膜 2 lb膜的淀积方法 1 垂直提拉法 2 水平提拉法 3 单分子层水平转移技术 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 3 1 4lb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 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 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 2sa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硅烷衍生物的sa多层膜3 2 5具有非线性光学特性的无中心对称的sa膜3 2 6静电力自组装沉积多层膜 3 2 1自组装定义 所谓自组装 self assembly 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 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 sagiv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 硅烷在硅表面 硫醇在金表面的自组装单分子膜是研究最多的体系 单分子sa膜的组装示意图 3 2 3单分子自组装膜简介 tillman等人首先制备了硅烷mtst methyl 23 trichlorosilyl tricosano的多层膜 他们首先在硅片上自组装一层端基为酯基的硅烷单分子膜 随后将酯基还原为醇 表面又转化为羟基 从而又可在其上吸附组装一层硅烷单分子膜 重复以上过程就可得到硅烷的多层膜 3 2 4硅烷衍生物的sa多层膜 3 2 5具有非线性光学特性的无中心对称的sa膜 方法与前类似 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 6静电力自组装沉积多层膜 功能分子离子化的几种主要途径 直接引入离子基团 纳米微粒表面用带电荷的小分子处理 采用离子化的前驱物 成膜后再经适当处理得到目的产物 3 3超薄膜应用举例 3 3 1聚苯胺 聚苯乙烯磺酸sa膜的制备及表征3 3 2聚苯胺基lb膜的制备及气敏特性的研究3 3 3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 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 自组装过程的uv vis表征及分析 1 不同浓度聚苯胺 pan 溶液组装得到的单层膜uv vis图谱 2 pan自组装单层膜在pass溶液中处理不同时间的uv vis图谱 不同浓度聚苯胺 pan 溶液组装得到的单层膜uv vis谱图 pan自组装单层膜在pssa溶液中处理不同时间的uv vis谱图 不同层数pan 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 320nm 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 3 3 2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 4 结论 1 研究意义 聚苯胺 2气体传感器 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 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 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 其一为聚苯胺的 溶液 其二为聚苯胺与乙酸 以10 1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 5000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1 10 6到200 10 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0 077 2 而 的单分子面积为0 25 2 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 膜的成膜条件为 纯聚苯胺亚相 6 0 聚苯胺与乙酸的混合亚相 4 0 亚相温度20 提膜速度1 成膜沉积方式为 型 a曲线 表面张力 单分子平均面积等温线 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 nmplb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 即每次聚苯胺及聚苯胺与乙酸的混合溶液转移到基片上的量几乎相等 转移比约为0 8 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 nmplb膜的 光谱图 发现纯聚苯胺 膜对 2具有较好的敏感性 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 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 响应特性 将15层聚苯胺 膜放在相对百分比为20 10 6 2气体中 连续测量其响应与恢复特性 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 pan nmp传感器敏感特性 pan aa nmp传感器敏感特性 敏感机理讨论 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 因而在刚接触 2时 电阻很快减小 但是 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 因而可通过测定聚苯胺 膜在 2气体中电阻的变化来检测聚苯胺 膜的气敏特性 3 3 3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 采用自制的 1型半自动 拉膜机 制备了不同层数的 4 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5 10 3的 2气体 再用注射器吸取1 10 的该浓度气体注入500 的测试瓶中 得到浓度为10 5 10 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 4 膜在亚相液面上的 曲线 在挡板压缩前 表面张力为0 随着压缩的进行 膜压逐渐升高 将 曲线的明显上升部分外推至零表面压 得到每个 4 分子占有面积约为0 702 2 随着表面张力的增加 膜面积不断减小直至崩溃 此时的表面张力大约为33 5 4 膜的 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 不同层数年的 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 室温下15层 4 膜对不同浓度 2气体的响应特性曲线 高温下对气体的响应变差 并且气敏膜的敏感特性也明显降低 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100 10 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 碘化处理效果 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 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 第五章 补 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 一 概述 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 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 吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析 概述 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 5 1000 m 主要用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200 400nm 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400 750nm 主要用于有色物质的定量分析 主要讲授紫外可见吸光光度法 二 紫外可见吸收光谱 1 光的基本性质光是一种电磁波 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 hc planck常数 h 6 626 10 34j 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成 可见光区 400 750nm紫外光区 近紫外区200 400nm远紫外区10 200nm 真空紫外区 2 物质对光的选择性吸收及吸收曲线 m 热 m 荧光或磷光 e e2 e1 h 量子化 选择性吸收 分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同 用不同波长的单色光照射 测吸光度 吸收曲线与最大吸收波长 max m h m 基态激发态e1 e e2 吸收曲线的讨论 1 同一种物质对不同波长光的吸光度不同 吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 max 2 不同浓度的同一种物质 其吸收曲线形状相似 max不变 而对于不同物质 它们的吸收曲线形状和 max则不同 3 吸收曲线可以提供物质的结构信息 并作为物质定性分析的依据之一 4 不同浓度的同一种物质 在某一定波长下吸光度a有差异 在 max处吸光度a的差异最大 此特性可作为物质定量分析的依据 5 在 max处吸光度随浓度变化的幅度最大 所以测定最灵敏 吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据 3 紫外 可见分子吸收光谱与电子跃迁 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e ee ev er e v r 能级跃迁 紫外 可见光谱属于电子跃迁光谱 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 0 005 0 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 05 ev 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1 20ev 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 三 分子吸收光谱与电子跃迁 1 紫外 可见吸收光谱有机化合物的紫外 可见吸收光谱 是其分子中外层价电子跃迁的结果 三种 电子 电子 n电子 分子轨道理论 一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道 通常外层电子均处于分子轨道的基态 即成键轨道或非键轨道上 外层电子吸收紫外或可见辐射后 就从基态向激发态 反键轨道 跃迁 主要有四种跃迁所需能量 大小顺序为 n n 跃迁 所需能量最大 电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区 吸收波长 200nm 只能被真空紫外分光光度计检测到 如甲烷的 为125nm 乙烷 max为135nm n 跃迁所需能量较大 吸收波长为150 250nm 大部分在远紫外区 近紫外区仍不易观察到 含非键电子的饱和烃衍生物 含n o s和卤素等杂原子 均呈现n 跃迁 如一氯甲烷 甲醇 三甲基胺n 跃迁的 分别为173nm 183nm和227nm 跃迁 所需能量较小 吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区 摩尔吸光系数 max一般在104l mol 1 cm 1以上 属于强吸收 不饱和烃 共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁 如 乙烯 跃迁的 为162nm max为 1 104l mol 1 cm 1 n 跃迁需能量最低 吸收波长 200nm 这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁 摩尔吸光系数一般为10 100l mol 1 cm 1 吸收谱带强度较弱 分子中孤对电子和 键同时存在时发生n 跃迁 丙酮n 跃迁的 为275nm max为22l mol 1 cm 1 溶剂环己烷 生色团与助色团 生色团 最有用的紫外 可见光谱是由 和n 跃迁产生的 这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团 这类含有 键的不饱和基团称为生色团 简单的生色团由双键或叁键体系组成 如乙烯基 羰基 亚硝基 偶氮基 n n 乙炔基 腈基 c n等 助色团 有一些含有n电子的基团 如 oh or nh nhr x等 它们本身没有生色功能 不能吸收 200nm的光 但当它们与生色团相连时 就会发生n 共轭作用 增强生色团的生色能力 吸收波长向长波方向移动 且吸收强度增加 这样的基团称为助色团 红移与蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长 max和吸收强度发生变化 max向长波方向移动称为红移 向短波方向移动称为蓝移 或紫移 吸收强度即摩尔吸光系数 增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应 如图所示 2 金属配合物的紫外 可见吸收光谱 金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子 水合离子 和配位体本身的颜色 金属配合物的生色机理主要有三种类型 配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和 一 电子跃迁摩尔吸收系数 很小 对定量分析意义不大 金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离子的微扰 将引起配位体吸收波长和强度的变化 变化与成键性质有关 若静电引力结合 变化一般很小 若共价键和配位键结合 则变化非常明显 电荷转移吸收光谱在分光光度法中具有重要意义 电荷转移吸收光谱 当吸收紫外可见辐射后 分子中原定域在金属m轨道上电荷的转移到配位体l的轨道 或按相反方向转移 这种跃迁称为电荷转移跃迁 所产生的吸收光谱称为荷移光谱 电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应 因此呈现荷移光谱的必要条件是构成分子的二组分 一个为电子给予体 另一个应为电子接受体 电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁 其摩尔吸光系数一般都较大 104左右 适宜于微量金属的检出和测定 电荷转移跃迁在紫外区或可见光呈现荷移光谱 荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关 例 fe3 与scn 形成血红色配合物 在490nm处有强吸收峰 其实质是发生了如下反应 fe3 scn h fescn 2 四 光的吸收定律 1 朗伯 比耳定律布格 bouguer 和朗伯 lambert 先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系 a b 1852年比耳 beer 又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系 a c 比尔 朗伯定律 beer lambertlaw 又称比尔定律 比耳定律 朗伯 比尔定律 布格 朗伯 比尔定律 bouguer lambert beerlaw 是光吸收的基本定律 适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质 包括气体 固体 液体 分子 原子和离子 比尔 朗伯定律是吸光光度法 比色分析法和光电比色法的定量基础 朗伯 比耳定律数学表达式 a lg i0 it bc式中a 吸光度 描述溶液对光的吸收程度 b 液层厚度 光程长度 通常以cm为单位 c 溶液的摩尔浓度 单位mol l 摩尔吸光系数 单位l mol cm 或 a lg i0 it abcc 溶液的浓度 单位g l a 吸光系数 单位l g cm a与 的关系为 a m m为摩尔质量 透光度 透光率 t 透光度t 描述入射光透过溶液的程度 t it i0吸光度a与透光度t的关系 a lgt 朗伯 比耳定律是吸光光度法