一种三维纳米多孔微电极阵列及其制备方法

本发明属于微电极阵列，尤其涉及一种三维纳米多孔微电极阵列及其制备方法。

背景技术：

1、微电极是指至少在一个维度上的尺度为微米级的一类电极，例如微盘电极和微带电极等。与常规电极相比，微电极具有诸多优良的电化学特性，如充电电流小、信噪比高、ir降小、传质速度高、响应时间短和灵敏度高等。而微电极阵列是由多个微电极以阵列形式组合而成，其整体尺寸小、集成度高。微电极阵列在继承了单个微电极所具有的诸多优良电化学特性的同时，也获得了更大的电流强度和更好的输出信号，有效地弥补了单个微电极的电流信号很低和易受环境干扰等不足。

2、目前，微电极阵列通常通过光刻工艺或纳米压印技术制备，将特定的几何形状图案转移到基底平面上，再结合刻蚀、金属沉积等加工手段，最后可得微电极阵列。该类制备方法具有可设计性强、技术成熟、便于规模化生产等优点，但是也明显存在设备昂贵、生产环境苛刻、制备工艺繁琐、耗时长、加工成本高等缺点。

3、此外，微电极阵列还可以通过模板法制备。其采用阳极氧化铝模板(aao模板)或径迹刻蚀高聚物模板(如：聚碳酸酯模板)等，结合气相沉积或压力注入等手段，使在模板内生长出微电极阵列，最后去除模板。与光刻法和纳米压印法相比，模板法具有操作流程简单、加工成本低等优点，但是也存在适用范围较窄、可设计性弱、可控度低等缺点。

4、综上所述，相关技术中存在多种微电极阵列制备方法，但是各种制备方法，难以同时兼顾可设计性与生产成本。

技术实现思路

1、本发明的技术目的在于提供一种三维纳米多孔微电极阵列及其制备方法，旨在解决相关技术中的微电极阵列制备方法难以同时兼顾可设计性与生产成本的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种三维纳米多孔微电极阵列，包括：

3、步骤1、在透光层上依次沉积金属层和牺牲层；

4、步骤2、使用激光透过所述透光层，并在所述金属层上形成延伸至牺牲层的三维合金微柱阵列；

5、步骤3、进行脱合金处理，溶解所述牺牲层，同时溶解所述三维合金微柱阵列中的牺牲层组分，使所述三维合金微柱阵列形成三维纳米多孔微柱阵列，以得到所述三维纳米多孔微电极阵列。

6、进一步地，对于所述步骤1，还可以包括：在沉积所述金属层之后，且在沉积所述牺牲层之前，在所述金属层上沉积绝缘层。

7、进一步地，对于所述步骤1，还可以包括：

8、步骤11、在透光层上沉积若干个金属层，且若干所述金属层间隔设置；

9、步骤12、在所述金属层上、以及在所述金属层之间的间隔沉积绝缘材料，以形成绝缘层；

10、步骤13、在所述绝缘层背离所述金属层一侧，沉积牺牲层。

11、进一步地，所述步骤2具体包括：

12、步骤21、使用激光透过透光层，并照射至金属层，以在所述金属层上形成微区阵列；

13、步骤22、所述激光对所述微区阵列进行加热，以在所述微区上形成连接所述金属层和所述牺牲层的柱状金属熔融区域；

14、步骤23、待各所述金属熔融区域冷却凝固，以形成三维合金微柱阵列。

15、进一步地，所述步骤3的脱合金方法包括化学或电化学方法中的至少一种。

16、进一步地，一种三维纳米多孔微电极阵列，由上所述的制备方法制得，所述三维纳米多孔微电极阵列包括透光层和金属层，所述金属层背离所述透光层一侧为第一表面，所述金属层上设置有突出于所述第一表面的三维纳米多孔微柱阵列。

17、进一步地，所述三维纳米多孔微柱阵列由若干个三维纳米多孔微柱按阵列间隔排布组成，所述三维纳米多孔微柱的直径为50nm～500μm。

18、进一步地，所述三维纳米多孔微柱具有若干个纳米孔状结构；在同一所述三维纳米多孔微柱中，各个所述纳米孔状结构相互连通，各个所述纳米孔状结构的孔壁之间相互连接。

19、进一步地，所述纳米孔状结构的孔径为1nm～500nm。

20、进一步地，所述金属层包括至少一层子金属层，所述子金属层的材料为金属单质；和/或，所述子金属层的材料为合金。

21、本发明中三维纳米多孔微电极阵列及其制备方法，与相关技术相比，有益效果在于：

22、本发明将激光微加工技术和脱合金方法有机融合，以制得三维纳米多孔微电极阵列。其中，激光微加工过程中，可以通过控制激光功率、激光光斑尺寸和激光照射区域等手段，使得可以在金属层上形成具有特定结构的三维合金微柱，还可以形成具有特定分布的三维合金微柱阵列，从而在微米尺度上具有高度的可设计性和可控性。而对于脱合金过程中，可以通过对脱合金温度、脱合金电流密度、表面活性剂等影响因素的调节，而实现对三维纳米多孔微电极阵列中的纳米多孔结构的控制和优化，即可以在纳米尺度上具有高度可设计性和可控性。

23、因此，本发明在制备三维纳米多孔微电极阵列的过程中，通过灵活运用激光微加工技术和脱合金方法，可以实现三维纳米多孔微电极阵列在微米尺度和纳米尺度上的高度可设计性和可控性，可以设计和制备出各式各样的三维纳米多孔微电极阵列，满足实际应用中对微电极阵列不同样式的需求，非常适合应用于传感器、微电子、电催化和储能等领域。同时，与光刻法和纳米压印法相比，本发明的制备方法并不需要特别昂贵的生产设备、苛刻的生产环境和繁琐的制备工艺。本发明制备方法相对简单、生产条件要求低、成本低、适合规模生产。综上，本发明的制备方法可以同时兼顾可设计性与生产成本，满足实际需求。

24、另外，三维纳米多孔微电极阵列为微纳米复合结构，因此，本发明的三维纳米多孔微电极阵列在具备诸多优良电化学特性的同时，还可以具有超高的比表面积。

技术特征：

1.一种三维纳米多孔微电极阵列的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对于所述步骤1，还包括：在沉积所述金属层之后，且在沉积所述牺牲层之前，在所述金属层上沉积绝缘层。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对于所述步骤1，还具体包括：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3的脱合金方法包括化学或电化学方法中的至少一种。

6.一种三维纳米多孔微电极阵列，其特征在于，由权利要求1-5中任意一项所述的制备方法制得，所述三维纳米多孔微电极阵列包括透光层和金属层，所述金属层背离所述透光层一侧为第一表面，所述金属层上设置有突出于所述第一表面的三维纳米多孔微柱阵列。

7.根据权利要求6所述的三维纳米多孔微电极阵列，其特征在于，所述三维纳米多孔微柱阵列由若干个三维纳米多孔微柱按阵列间隔排布组成，所述三维纳米多孔微柱的直径为50nm～500μm。

8.根据权利要求7所述的三维纳米多孔微电极阵列，其特征在于，所述三维纳米多孔微柱具有若干个纳米孔状结构；在同一所述三维纳米多孔微柱中，各个所述纳米孔状结构相互连通，各个所述纳米孔状结构的孔壁之间相互连接。

9.根据权利要求8所述的三维纳米多孔微电极阵列，其特征在于，所述纳米孔状结构的孔径为1nm～500nm。

10.根据权利要求6所述的三维纳米多孔微电极阵列，其特征在于，所述金属层包括至少一层子金属层，所述子金属层的材料为金属单质；和/或，所述子金属层的材料为合金。

技术总结
本发明提供了一种三维纳米多孔微电极阵列及其制备方法，制备方法包括：步骤1、在透光层上依次沉积金属层和牺牲层；步骤2、使用激光透过透光层，并在金属层上形成延伸至牺牲层的三维合金微柱阵列；步骤3、进行脱合金处理，溶解牺牲层，同时溶解三维合金微柱阵列中的牺牲层组分，以使三维合金微柱阵列形成三维纳米多孔微柱阵列，以得到三维纳米多孔微电极阵列。本发明通过灵活运用激光微加工技术和脱合金方法，可以实现三维纳米多孔微电极阵列在微米尺度和纳米尺度上的高度可设计性和可控性，可以设计和制备出各式各样的三维纳米多孔微电极阵列，且生产条件要求低、成本低、适合规模生产，本发明可以同时兼顾可设计性与生产成本，满足实际需求。

技术研发人员：李康劲,耿庆华,林展雯,陈书汉
受保护的技术使用者：嘉应学院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8