一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，使用光刻方法在不锈钢薄片上刻出规则的图案；将具有通孔图案的不锈钢薄片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，采用基台限位固定；于衬底表面的暴露部份沉积生长图案化掺硼金刚石层即得图案化掺硼金刚石电极，化学气相沉积过程中，控制衬底的表面温度为750‑950℃，生长气压为2.5‑5KPa,通入的甲烷、硼烷、氢气的比例为(1‑20)：(0.3‑1)：(45‑49)；最后将制备的掺硼金刚石电极作为工作电极，铂片作为对电极,Ag/AgCl电极作为参比电极组装成检测电极系统；该发明专利技术的制备方法相比现有技术更简单，操作更容易控制，制作成本也更低。

【技术实现步骤摘要】
一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种高比表面积掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，尤其是涉及一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极及其制备方法和应用，属于电极制备领域。
技术介绍
掺硼金刚石电极因其优异的电化学性能，在生物传感领域、水处理领域以及生命检测领域等都得到了非常广泛的应用。其低背景电流、高稳定性以及低吸附特性使其在众多的电极材料中脱颖而出。掺硼金刚石电极属于电化学电极，主要将生物、化学和物理信号转变为可识别分析的电信号，在低浓度检测领域，金刚石电极因其低背景电流的特征而占据了很重要的地位。如果能够在其本身的优异性能上，通过优化设计出高比表面积的掺硼金刚石电极，将能够增大电极本身的响应信号，这将会大大放大其在低浓度领域的检测优势。相比于传统的多孔金刚石电极，图案化金刚石电极在尺寸和形状设计上将更加灵活，在电极传质设计方面将更容易实现与优化。现有的制备图案化金刚石电极方法主要采用等离子体刻蚀或者光刻方法，即当前一般采用的是自上而下的方法：先制备出足够厚度的金刚石膜，再使用上述方法对完整的膜进行图案化。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的是提供一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极及其制备方法和应用。本专利技术中所采用的图案化的制备方法属于自下而上的方法，即直接通过图案化的掩模与基底的一体连接，然后直接在基底上生长出图案化的金刚石电极。该方法设计步骤较刻蚀等方法更简单，操作更容易控制，制作成本也更低。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，包括如下步骤：将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，于衬底表面的暴露部份沉积生长图案化掺硼金刚石层即得图案化掺硼金刚石电极，化学气相沉积过程中，控制衬底的表面温度为750-950℃，生长气压为2.5-5KPa,通入的甲烷、硼烷、氢气的比例为1-20：0.3-1：45-49。在本专利技术中，衬底表面的暴露部份是指衬底表面覆盖了具有通孔图案的金属片后，暴露出来的通孔图案部份。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，采用基台限位固定。在实际操作过程中，基台的设计方式如下：如电极所需的实际尺寸2-10cm2,设计化学气相沉积的基台尺寸为4-15cm2，富余尺寸为固定时所需的余量尺寸，使用耐高温的钼金属线切割成相应尺寸的基台配件并完成组装。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述金属片为不锈钢片。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述具有通孔图案的金属片的制备过程为：根据所需的图案，采用光刻法在金属片表面刻蚀出对应的通孔图案。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述图案为正方形阵列图形、长方形阵列图形、圆形阵列图形中的一种。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述衬底为硅片。在本专利技术中，生长金刚石的基底采用的是能形成稳定氧化物中间层的硅基底，硅基底相较于其他金属类基底，能够形成热膨胀系数较纯基底更小的中间氧化物层，这样生长的金刚石就不容易脱落。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，然后采用5-20℃/min，优选为5-15℃/min的速率升温使衬底的表面温度达到750-950℃。专利技术人发现，通过将衬底进行四周限位固定以及通过缓慢的升温方式可以避免由于金属片与衬底因为热膨胀的不同，而导致出现由于金属片出现移位、变形等现象，导致生长的金刚石图案不规则甚至生长失败。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述化学气相沉积为热丝化学气相沉积，热丝匝数为10-15匝，化学气相沉积过程中，控制热丝温度为2100-2400℃。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，化学沉积过程中，首先通入的甲烷、硼烷、氢气的比例为10-20：0.3-1：45-49，沉积1-2h，然后再调节通入的甲烷、硼烷、氢气的比例为2-5：0.3-1：45-49，沉积6-10h。由于图案化生长的区域范围较传统的整块基底生长区域来说很小，生长过程中存在形核困难的问题。这主要是因为碳原子在形核、成岛、成膜等一系列过程中，需要足够的热力学运动来完成，但是限定了碳原子在特定区域内生长，肯定会相应增加形核和成膜难度，延长整个生长周期；专利技术人发现，通过采用生长初期高甲烷浓度的方法可以克服形核困难的问题。在实际操作过程中，先将具有通孔图案的金属片和硅片衬底均放置于丙酮溶液中,超声清洗10-20分钟,去除表面油渍；然后在去离子水中超声清洗5-20分钟,烘干后再进行沉积。本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述掺硼金刚石层的厚度为5-20μm，所述掺硼金刚石层中金刚石的晶粒直径为5-10μm。作为优选，本专利技术一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，所述掺硼金刚石层为多孔硼掺杂金刚石层，所述多孔硼掺杂金刚石层通过沉积生长图案化掺硼金刚石层后，再进行高温刻蚀处理获得，所述高温刻蚀处理为高温气氛刻蚀处理或高温金属刻蚀处理。通过将掺硼金刚石层进行高温刻蚀处理，使得掺硼金刚石层形成多孔结构，即使掺硼金刚石层表面分布微孔和/或尖锥，从而进一步扩大图案化掺硼金刚石电极的比表面积。在实际操作过程中，高温气氛刻蚀处理是指将衬底表面的暴露部份沉积生长图案化掺硼金刚石层后，再置于空气或氢气气氛下，进行热处理，其中热处理的温度为600-1000℃，压强为10Pa-105Pa，处理时间为5～180min。高温金属处理刻蚀是指，是指将衬底表面的暴露部份沉积生长图案化掺硼金刚石层后，再于掺硼金刚石层对碳具有较高催化能力的金属层，然后对已沉积金属层的硼掺杂金刚石层进行热处理，使金属层在高温下球化，在金刚石表面形成弥撒分布的金属纳米球或微米球；在高温下，金刚石中的碳原子不断固溶到金属纳米球或微米球中，再通过添加氢气气氛刻蚀金属纳米球或微米球中碳原子过饱和固溶时析出的固体碳，使金属纳米球或微米球不断向金刚石内部迁移，最终在掺硼金刚石层表面形成大量的微孔和尖锥；所述金属层材料选自金属铁、钴、镍中的一种或复合；热处理温度为600-1000℃，时间1min-3h，压强为0.1-1个大气压。本专利技术还提供采用上述制备方法所制备的高比表面积的图案化掺硼金刚石电极。本专利技术还提供采用上述制备方法所制备的高比表面积的图案化掺硼金刚石电极作为工作电极应用于电化学传感器。在应用过程中，以掺硼金刚石电极作为工作电极,铂片作为对电极,Ag/AgCl电极作为参比电极组装成电化学传感器(三电极检测传感器)。原理与优势本专利技术中提供了一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，本专利技术的制备方法属于自下而上的方法，即直接通过图案化的掩模与基底的一体连接，然后直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，于衬底表面的暴露部份沉积生长图案化掺硼金刚石层即得图案化掺硼金刚石电极，化学气相沉积过程中，控制衬底的表面温度为750-950℃，生长气压为2.5-5KPa；通入的甲烷、硼烷、氢气的比例为1-20：0.3-1：30-49。/n

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，于衬底表面的暴露部份沉积生长图案化掺硼金刚石层即得图案化掺硼金刚石电极，化学气相沉积过程中，控制衬底的表面温度为750-950℃，生长气压为2.5-5KPa；通入的甲烷、硼烷、氢气的比例为1-20：0.3-1：30-49。


2.根据权利要求1所述的一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，采用基台限位固定；所述金属片为不锈钢片；所述衬底为硅片。


3.根据权利要求1所述的一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：根据所需的图案，采用光刻法在金属片表面刻蚀出对应的通孔图案；所述图案为正方形阵列图形、长方形阵列图形、圆形阵列图形中的一种。


4.根据权利要求1所述的一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：将具有通孔图案的金属片覆盖在衬底表面，然后共同置于化学气相沉积炉中，然后采用5-20℃/min的速率升温使衬底的表面温度达到750-950℃。


5.根据权利要求1所述的一种高比表面积的图案化掺硼金刚石电极的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨万林，魏秋平，周科朝，马莉，李海超，苗冬田，李志伸，陈尹豪，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43