旋塗法制備獨立式壓敏奈米片

壓敏塗料 (PSP) 作為一種用於流體力學的非侵入式壓力測量技術而備受關注。該方法已用於風洞測試、旋轉物體的表面壓力測量、低密度氣體流量測量、氧氣濃度分佈測量和微尺度氣體流量測量。

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可以透過檢測PSP塗層中壓敏染料發出的發光強度的變化來測量施加PSP塗層的表面上的壓力分佈。PSP 塗層不​能應用於不耐有機溶劑的塑膠表面。因此，類似貼紙的 PSP 塗層是有用的，因為它不需要使用有機溶劑和高水平的技能。

近年來，有許多關於可穿戴感測器奈米片的製備方法和體外細胞研究的研究。一般來說，奈米片具有獨特的效能，包括高透明度、高柔韌性、非共價粘附以及由於大尺寸縱橫比而具有優異的電學和熱學效能。高柔韌性和非共價附著力等特性也使它們適用於 PSP。

本文討論了使用犧牲層工藝製造獨立式壓敏奈米片 (PSNS)。製造的 PSNS 可以從基板上剝離並附著到另一個表面。

在透過卷對卷工藝大規模生產之前，分析了透過旋塗方法制造的 PSNF 的基本特性。還研究了製造的 PSNS 的壓力和溫度敏感性、發光壽命和量子產率。

此處列出了可用壓力感測器的完整列表。

方法

製備了兩種具有不同聚合物的 PSNS：聚（1-三甲基甲矽烷基丙炔）（PTMSP）和聚（L-乳酸）（PLLA）。PTMSP被稱為具有高透氣性的玻璃狀聚合物，通常用作PSP的粘合劑。然而，PTMSP 不用於製造奈米片。

PLLA是用於透過旋塗法和卷對卷工藝製造奈米片的高分子材料之一，但不用作PSP的粘合劑。作為壓敏染料，Pt(II) 內消旋四(五氟苯基)卟啉 (PtTFPP) 用於兩種 PSNS 樣品。由於高壓敏感性和光學穩定性，PtTFPP 被廣泛用作壓敏染料。

圖 1 顯示了本研究中使用的 PSNS 製造工藝。

圖 1.基於使用旋塗法的犧牲層工藝的 PSNS 製造工藝示意圖。(a) PVA 溶液旋塗在矽片上。(b) PSNS 旋塗在 PVA 薄膜上。(c) 製作的 PSNS 和 PVA 薄膜。(d) 將獲得的薄膜浸入水中。(e) PVA 薄膜溶解，獲得獨立的 PSNS。(f) PSNS 被轉移到另一個基板。圖片來源：松田等人，2021 年。

圖 2 顯示了 PLLA-PSNS 從矽晶片轉移到另一個矽晶片的典型示例。這些影象是由 iPhone 8 拍攝的。

圖 2. PLLA-PSNS 在矽片上轉移的典型例子。(a) 沒有照明的 PLLA-PSNS 影象。(b) 帶照明的 PLLA-PSNS 影象。圖片來源：松田等人，2021 年。

使用校準室研究了製造的 PSNS 的壓力和溫度敏感性。PSNS 樣品放置在校準室中，其中的壓力由壓力控制器監測和控制。腔內溫度由熱敏電阻測量；還使用了 Peltier 裝置和溫度控制器。

壓敏試驗時，腔內壓力控制在50～110 kPa範圍內，溫度保持在25℃。對於溫度敏感性測試，腔內溫度控制在 20 至 45°C 範圍內，壓力保持在大氣壓。

PSNS 由 LED 裝置照明，其中心波長為 395 nm。CCD 相機使用 630 ± 30 nm 的帶通濾波器捕獲來自 PSNS 的發射。

絕對量子產率光譜儀測量了製造的 PSNS 的量子產率。壽命光譜儀測量了從 PSNS 樣品發出的磷光的壽命。在壽命光譜儀中，壽命是透過用三重指數函式擬合數據來獲得的。

結果

壓力敏感度和溫度敏感度測試的結果分別顯示在圖 3 和圖 4 中。誤差棒表示樣品試樣上強度比的標準偏差。

圖 3. PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 樣品的 Stern-Volmer 圖。圖片來源：松田等人，2021 年。

圖 4. PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 樣品的溫度校準測試結果。圖片來源：松田等人，2021 年。

在大氣壓和 24 °C 的溫度下測量了聚四氟乙烯和鋁板上 PTMSP-PSNS 和 PTMSP-PSNS 的量子產率。

與量子效率相比，聚四氟乙烯和鋁上的 PSNS 之間的壽命差異很小（在 10% 以內）。圖 5 顯示了 PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 樣品在大氣壓和 24°C 溫度下由壽命光譜儀測量的聚四氟乙烯板上 PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 樣品的磷光衰減曲線。

圖 5. PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 的磷光衰減曲線。圖片來源：松田等人，2021 年。

結論

基於 PTMSP 和 PLLA 作為聚合物粘合劑製備了兩種壓敏奈米片 (PSNS)，分別稱為 PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS。PtTFPP 用作壓敏染料。製備的 PSNS 可以透過溶解犧牲膜 PVA 從基板上剝離，並可以轉移到另一個基板上。

雖然 PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 都是透過旋轉塗布機以相同的轉速製造的，但 PTMSP-PSNS 和 PLLA-PSNS 的厚度分別為 22 nm 和 91 nm。這種厚度差異被認為是由於 PTMSP 和 PLLA 有機溶液之間的粘度造成的。

檢查了兩種 PSNS 的壓力敏感性，發現 PTMSP-PSNS (0.59%/kPa) 的壓力敏感性高於 PLLA-PSNS (0.45%/kPa)。製造的 PSNS 的壓力敏感性與傳統 PSP 的相似。

PLLA-PSNS 的量子產率遠高於 PTMSP-PSNS，並且 PLLA-PSNS 的壽命比 PTMSP-PSNS 長得多。這些結果表明 PLLA-PSNS 中的氧猝滅被 PLLA 的低透氧性阻止。此外，驗證了白色襯底提高了 PSNS 的量子產率。

本研究調查了 PSNS 的基本特性。未來，應針對微尺度流動應用研究 PSNS 的空間均勻性，並應分析為風洞測試應用提供更大 PSNS 的卷對卷製造方法。