摘要

以聚苯胺（PAN）為原料，利用LB（Langmuir-Blodgett）超薄分子膜技術(shù)，制備了不同層數的純聚苯胺LB膜及聚苯胺與乙酸（AA）混合（PAN-AA）LB膜，對其進(jìn)行了紫外-可見(jiàn)光光譜分析研究，并對不同層數的聚苯胺基LB膜的二氧化氮（NO?）氣敏特性進(jìn)行了研究，發(fā)現PAN LB膜較PAN-AA LB膜具有更好的敏感性、響應性和可逆性，3層和15層PAN LB膜對相對百分比為20×10??NO?的響應時(shí)間分別為10 s和30 s，15層PAN LB膜的恢復時(shí)間約為4 min。

近年來(lái)對導電聚合物的研究越來(lái)越引起人們的高度重視，在導電聚合物中，聚苯胺（PAN）獨特的熱穩定性、易于制備以及對氣體的敏感性等特殊性能使之具有誘人的發(fā)展前景。研究聚苯胺有序多層膜的相關(guān)特性對于它在分子電子器件及化學(xué)傳感器件等方面的應用具有非常重要的價(jià)值。

Langmuir-Blodgett（LB）技術(shù)是制備聚苯胺超薄有序多層膜的方法之一。它具有分子尺度排列取向和人工分子組裝的特點(diǎn)，同時(shí)LB膜的組分、壓力、厚度等條件都可以嚴格加以控制，由此制成的敏感膜較一般的敏感膜具有更好的敏感性和更快的響應性，并可在常溫下工作，因而更具有應用價(jià)值。

同時(shí)，由于二氧化氮（NO?）氣體是大氣中對環(huán)境和人類(lèi)健康危害十分嚴重的污染物，因此研制簡(jiǎn)便使用、成本低的NO?氣體傳感器是近幾年氣體傳感器領(lǐng)域中最重要的研究課題之一。本次實(shí)驗中，我們制備了不同層數的純聚苯胺LB膜和聚苯胺與乙酸混合的LB膜，并對其N(xiāo)O?氣體敏感特性進(jìn)行了研究，這對制備價(jià)格低廉，且能在室溫下工作的NO?氣體傳感器提供了一種可行的方法。

1實(shí)驗部分

中間氧化態(tài)聚苯胺（Emeraldine base form）由MacDiarmid等提供的方法制得。以N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑，配制兩種鋪膜液：其一為聚苯胺的NMP溶液（PAN/NMP），其二為聚苯胺與乙酸（AA）以10:1的比例混合的NMP溶液（PAN-AA/NMP），其濃度為0.1 mg/mL。在Langmuir拉膜槽中，以去離子水作為亞相溶液，保持一定的亞相pH值，對于純聚苯胺和聚苯胺與乙酸的混合溶液分別為6.0和4.0。

實(shí)驗中采用MC-1型LB拉膜機對單分子膜進(jìn)行研究以及對多層LB膜進(jìn)行淀積。分別以石英和硅片作為基片，對PAN/NMP LB膜和PAN-AA/NMP LB膜的相關(guān)特性進(jìn)行研究。為了便于電特性的測量，硅片上刻有間距為20μm的叉指電極。

采用UV1100紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）分光光度計對不同層數的LB膜進(jìn)行吸收光譜的測量，以便研究聚苯胺基LB膜的光譜特性。并采用L116C型橢偏儀對聚苯胺單分子膜的厚度進(jìn)行測量，以檢驗制備聚苯胺LB膜是否在納米數量級范圍。

NO?氣體由Pb(NO?)?固體粉末加熱分解制得。在LB膜氣敏特性的測試中，使用的氣體相對百分比為1×10??到200×10??。通過(guò)對電阻的相對變化進(jìn)行測量來(lái)研究聚苯胺基LB膜對NO?的敏感特性和響應特性。

2結果與討論

圖1為聚苯胺LB膜的表面張力-單分子平均面積（π-A）等溫線(xiàn)。當單分子層穩定緊密地排列在亞相上時(shí)，PAN/NMP的單分子面積為0.077 nm2，而PAN-AA/NMP的單分子面積為0.25 nm2。但是這兩種單分子層的提膜壓卻非常接近，前者為18.5 mN/m，后者為20 mN/m。保持提膜壓不變，采用垂直提拉法將聚苯胺單分子膜及多層膜分別轉移到石英基片和硅片上。LB膜的成膜條件為：純聚苯胺亞相pH=6.0；聚苯胺與乙酸的混合亞相pH=4.0；亞相溫度20℃；提膜速度1 mm/min；成膜沉積方式為Z型。

圖2中可以看出320 nm左右出現了由π–π*躍遷引起的吸收峰，在600 nm左右出現了由PAN主鏈上醌環(huán)所產(chǎn)生的激子吸收峰。圖3是用乙酸摻雜之后的聚苯胺LB膜的UV-Vis光譜圖。隨沉積層數的增加，吸光率接近線(xiàn)性增加，根據布格-朗伯定律，說(shuō)明隨著(zhù)沉積層數的增加，薄膜的厚度基本線(xiàn)性增加，即每次聚苯胺及聚苯胺與乙酸的混合溶液轉移到基片上的量幾乎相等，轉移比約為0.8。聚苯胺LB膜的厚度可以通過(guò)沉積次數、沉積速度以及鋪膜液在液面上鋪展的均勻程度來(lái)加以控制。由橢偏儀測得的數據表明PAN/NMP單分子層厚度約為6.15 nm，PAN-AA/NMP單分子層厚度約為5.85 nm，均在納米數量級范圍。