一种图案化的氧化锰阵列的制备方法及其应用与流程

本发明属于微纳米材料制备，特别涉及一种图案化的氧化锰阵列的制备方法及其应用。

背景技术：

1、图案化制备在微型集成电路的制备过程中越来越重要。目前，金属氧化物电极的图案化制备主要是通过光刻技术来实现。光刻技术需要先在材料表面覆盖一层光刻胶，然后进行结构刻蚀，再浸泡在显影液中去除多余光刻胶，最后进行刻蚀将结构写在材料表面。通过光刻制备图案化微纳电路，工艺复杂，成本高昂，在复杂图案电路的制备上仍有困难。

2、在纳米技术领域，二氧化锰(mno2)因其低毒性而备受关注。与块体材料相比，氧化锰纳米材料具有更高的电子迁移率，更大的比表面积，在储能器件、光电器件、气敏器件上具有巨大的应用潜力。目前，人们已经制备出各种形貌的氧化锰纳米材料，包括纳米线、纳米棒、纳米管、纳米片、纳米阵列等。常见的氧化锰纳米材料湿化学合成方法，如水热法、溶胶-凝胶法、氧化还原法等，已经能够实现对合成过程中氧化锰纳米材料的尺寸控制。二氧化锰纳米粒子的合成方法多种多样，但在获得所需纳米粒子方面仍存在挑战。现有的合成方法制备氧化锰纳米粒子时，温度和反应时间的变化，会影响纳米粒子的相和形貌。而且现有的合成方法一般的反应温度为几百摄氏度，反应时间常常在十几个小时以上，需要耗费大量能量。

3、目前利用激光制备锰氧化物微纳器件通常的步骤如下：制备锰盐/氧化锰纳米颗粒的有机溶液作为前驱体，以有机薄膜作为基体，将前驱体通过各种方法涂布到基体上(如丝网印刷)，再通过高通量激光照射，在激光照射路径上同时实现激光诱导石墨烯的生成以及锰氧化物的制备，从而原位合成出氧化锰纳米阵列。激光直写制备氧化锰纳米阵列的技术能够简单地制备出图案化的氧化锰阵列，但是有机溶剂(如paa)及有机基底(如聚酰亚胺薄膜)的使用限制了激光的功率阈值。即现有技术中制备图案化的氧化锰阵列过程往往需要高的激光功率(功率0.2-0.8w)，过高的激光功率容易对不需要图案化的区域造成损害。现有技术中制备图案化的氧化锰阵列往往还需要多次激光照射，加大了工艺的复杂程度。

4、因此，亟需提供一种新的图案化的氧化锰阵列制备方法，简化工艺，且降低激光功率。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种图案化的氧化锰阵列的制备方法及其应用，本发明所述制备方法中使用的激光功率不超过100mw，甚至不超过50mw，且不需要多步骤的激光照射，简化工艺，可制备出高精度的图案化的氧化锰阵列。

2、本发明的发明构思为：本发明以高锰酸钾作为水溶液作为前驱液，以玻璃基板作为衬底，只需要单步激光照射，且激光功率不超过100mw，甚至不超过50mw，且激光的波长为500-515nm，脉宽为200-260fs，即可制得高精度的图案化的氧化锰阵列。大大降低了激光功率和简化了制作过程。

3、本发明的第一方面提供一种图案化的氧化锰阵列的制备方法。

4、具体的，一种图案化的氧化锰阵列的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)在上下两块玻璃基板中加入高锰酸钾水溶液，形成夹层；

6、(2)调节激光，使激光聚焦至上玻璃基板与高锰酸钾水溶液的交界处，调节激光的功率为不超过100mw，且激光的波长为500-515nm，脉宽为200-260fs；

7、(3)移动激光，即制得图案化的氧化锰阵列。

8、优选的，步骤(1)中，对所述玻璃基板先使用超声清洗，然后用uv光清洗。该清洗的目的为对玻璃基板表面进行清洁，且对玻璃基板的表面的亲疏水性进行调节。有利于在上玻璃基板的下表面形成附着力好的氧化锰阵列。

9、优选的，步骤(1)中，所述玻璃基板为sio2玻璃基板。

10、优选的，步骤(1)中，所述玻璃基板的厚度为0.1-0.8mm；进一步优选的，所述玻璃基板的厚度为0.1-0.5mm。

11、优选的，步骤(1)中，所述玻璃基板的长宽为(1-4)cm×(1-4)cm；进一步优选的，所述玻璃基板的厚度为(1-2)cm×(1-2)cm。

12、优选的，步骤(1)中，所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.05-0.5mol/l；进一步优选的，所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.05-0.2mol/l。

13、优选的，步骤(1)中，所述夹层中，所述高锰酸钾水溶液形成的液体层的厚度为2-30μm；优选10-15μm。

14、优选的，步骤(2)中，所述激光的功率为10-100mw，优选20-50mw。本发明的激光为飞秒激光，以脉冲形式进行照射，获得图案化的氧化锰阵列。

15、优选的，步骤(2)中，所述激光的重复频率为100-200khz，优选150-200khz，更优选200khz。

16、激光照射点位发生高锰酸钾的还原反应，还原产物析出沉淀在玻璃基板上。

17、优选的，步骤(2)中，调节激光的装置包括飞秒激光器、衰减片、光阑、电控快门、脉冲整形器、反射镜、二向色镜、聚焦物镜、平移台、凸透镜、电荷耦合元件和计算机。所述飞秒激光器、衰减片、光阑和电控快门共轴设置，飞秒激光器产生的飞秒激光经过衰减片调节激光功率，又经过光阑调节飞秒激光光斑直径后，经电控快门进入脉冲整形器，从整形器发射的激光经过反射镜和二向色镜一侧的反射，通过聚焦物镜实现对光束的聚焦。所述调节激光的装置是一种现有技术中的装置。

18、优选的，步骤(3)中，所述移动激光可通过三维移动平台系统控制激光在x-y方向上移动，从而实现图案化的氧化锰阵列的制备。

19、优选的，步骤(3)中，所述图案化的氧化锰阵列由氧化锰纳米线组成，所述氧化锰纳米线的直径为100nm-10μm。

20、优选的，步骤(3)中是在空气、氮气或真空条件下进行。

21、优选的，步骤(3)中，制得图案化的氧化锰阵列后，采用去离子水和乙醇进行清洗。

22、本发明采用激光制备图案化的氧化锰阵列实质是采用激光直写制备氧化锰线，氧化锰线进一步形成图案化的氧化锰阵列。

23、本发明的第二方面提供一种图案化的氧化锰阵列的制备方法的应用。

24、具体的，上述制备方法在制备储能器件、光电器件或气敏器件中的应用。

25、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

26、本发明以高锰酸钾作为水溶液作为前驱液，以玻璃基板作为衬底，只需要单步激光照射，且激光功率不超过100mw，甚至不超过50mw，且激光的波长为500-515nm，脉宽为200-260fs，即可制得高精度的图案化的氧化锰阵列。大大降低了激光功率和简化了制作过程。

技术特征：

1.一种氧化锰阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对所述玻璃基板先使用超声清洗，然后用uv光清洗。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述玻璃基板为sio2玻璃基板。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.05-0.5mol/l。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述夹层中，所述高锰酸钾水溶液形成的液体层的厚度为2-30μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述激光的功率为20-50mw。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述激光的重复频率为100-200khz。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氧化锰阵列由氧化锰纳米线组成，所述氧化锰纳米线的直径为100nm-10μm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中是在空气、氮气或真空条件下进行。

10.权利要求1-9任一项所述的制备方法在制备储能器件、光电器件或气敏器件中的应用。

技术总结
本发明属于微纳米材料制备技术领域，公开了一种图案化的氧化锰阵列的制备方法及其应用。该氧化锰阵列的制备方法包括以下步骤：(1)在上下两块玻璃基板中加入高锰酸钾水溶液，形成夹层；(2)调节激光，使激光聚焦至上玻璃基板与高锰酸钾水溶液的交界处，调节激光的功率为不超过100mW，且激光的波长为500‑515nm，脉宽为200‑260fs；(3)移动激光，即制得氧化锰阵列。本发明以高锰酸钾作为水溶液作为前驱液，以玻璃基板作为衬底，只需要单步激光照射，且激光功率不超过100mW，激光波长为500‑515nm，脉宽为200‑260fs，可制得高精度的图案化的氧化锰阵列。大大降低了激光功率和简化了制作过程。

技术研发人员：王学文,麦博
受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11