掺硼金刚石的制备及其在传感器中的应用

摘要

金刚石具有高硬度、高热导率、耐腐蚀等特点，是一种典型的多功能材料。纯净的金刚石是绝缘体，而金刚石掺入一定量的硼杂质以后成为p型半导体，甚至重掺硼以后成为导体，掺硼浓度的变化直接影响其自身的电学性能。另外，掺硼金刚石(Boron-doped diamond,BDD)薄膜在电化学领域也具有很大的优势，如具有低的背景电流、宽的电势窗口、高的电化学稳定性等特点。但其电化学性能主要受到BDD中的掺硼浓度的影响。 为此，本论文采用电子辅助热丝化学气相沉积法(EA-HFCVD)制备BDD膜，着重研究了硼含量对BDD膜的品质和电化学性能的影响。研究表明，当硼源流量从3增加到36sccm时，所有BDD膜在品质上表现为：金刚石晶粒完整，金刚石晶粒尺寸增大，非金刚石碳含量保持在较低水平，且BDD膜保持了高的结晶度。BDD膜的{100}和{111}晶面的拉曼光谱均显示金刚石的sp3碳-碳键特征峰，峰强呈降低趋势。硼源流量达到36sccm时，BDD膜表面的硼/碳(B/C)原子比约达到10000ppm，载流子浓度为6.57×1020cm-3，导电性最好。 从BDD膜的电化学性能分析可得，随着硼浓度的增加，BDD膜的电势窗口逐渐减小，其在磷酸盐缓冲液(pH7)中测得电势窗口较宽，硼流量为3sccm的BDD/Ta电极测得最大电势窗口为3.88V。BDD/Ta电极的电子转移速率常数和电化学活性面积均随着硼浓度的增加而增加，硼源流量为36sccm的BDD/Ta电极的有效活性表面积为1.31cm2，电子转移速率常数为2.4×10-1cm s-1。 通过研究BDD/Ta电极对苯类有机污染物和生物分子的电化学响应发现，BDD/Ta电极对含苯环的有机分子，如苯酚、对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、苯胺、2-氨基苯酚和4-氨基苯酚具有较高的氧化活性。硼源流量为36sccm的BDD/Ta电极对对苯二酚的检测灵敏度为0.316μAμM-1cm-2，检测限为0.59μM。此外对多巴胺和褪黑素的检测分析表明，BDD/Ta电极具有高的检测灵敏度和较强的抗干扰能力，对于多巴胺和褪黑素的检测限分别为0.02μM和0.18μM。研究表明，硼源流量为15~36sccm范围制备的BDD/Ta电极具有快速的电子转移速率、高选择性以及对于分析物的高灵敏度，适合应用于电化学传感器，实现了只改变硼含量优化制备的BDD/Ta电极对多目标物质的同时检测。此外，高硼源流量的BDD/Ta电极具有较高的电催化氧化性能，若用作高级氧化技术的污水处理电极将会有很好的前景。

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