1、辛超學號：M201472140石墨烯氣體傳感器 主要內(nèi)容l石墨烯及其性質(zhì)l石墨烯氣體傳感器l一種另類的石墨烯氣體傳感器如圖為石墨如圖為石墨烯結構圖烯結構圖。它是是一種由碳原子它是是一種由碳原子以以sp2sp2雜化軌道組成六雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的角型呈蜂巢晶格的平平面薄膜面薄膜，只有一個碳，只有一個碳原子厚度原子厚度的二維材料。的二維材料。 基本結構示意圖石墨烯結構石墨烯結構石墨烯的特性石墨烯的特性石墨烯石墨烯的性質(zhì)的性質(zhì)結構穩(wěn)定電子傳導速率最快高機械強度和彈性導熱性好透明度高電阻率小石墨烯性質(zhì)電學性質(zhì)電學性質(zhì)l零帶寬載流子遷移率：零帶寬載流子遷移率：200000cm2200000cm2

2、V1V1s1s1l室溫量子霍爾效應室溫量子霍爾效應l雙極化電場效應雙極化電場效應機械性質(zhì)機械性質(zhì)l斷裂強度：斷裂強度：125GPa125GPal楊氏模量：楊氏模量：1000GPa1000GPa熱學性質(zhì)熱學性質(zhì)l熱導率：熱導率：5000W5000Wm1m1K1K1化學性質(zhì)化學性質(zhì)l比表面積：比表面積：2630m22630m2g1g1光學性質(zhì)光學性質(zhì)l在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約2.3%2.3%石墨烯的制備方法微機械剝離法微機械剝離法碳納米管橫向切割法碳納米管橫向切割法微波法微波法電弧放電法電弧放電法光照還原法光照還原法石墨氧化還原法石墨氧化還原法電化學還原法電化學還原法溶劑熱

3、法溶劑熱法液相剝離石墨法液相剝離石墨法碳化硅裂解法碳化硅裂解法外延生長法外延生長法化學氣相沉積法化學氣相沉積法石石墨墨烯烯的的制制備備方方法法石墨烯氣體傳感器l基本原理 石墨烯吸附目標氣體后其電導率發(fā)生變化，通過確定電導率變化及目標表氣體濃度間的變化關系，就可以通過測量石墨烯的電導率變化從而測得目標氣體的濃度。屬于電阻式傳感器。 理論研究表明，石墨烯作為P型半導體，其導電性會受到吸附上來的的氣體分子的影響，即如果附著在石墨烯表面的氣體分子具有誘導拉電效應時，其表面空穴增多而表現(xiàn)出導電性的上升。如果表面氣體分子具有共軛給電子效應，其表面空穴會減少而表現(xiàn)出導電性下降。選定特定的絕緣陶瓷襯底，在此襯

4、底表面涂覆或生長石墨烯材料或石墨烯半導體復合材料作為氣敏材料，在氣敏材料兩端引出電極，電極接入檢測電路即可獲得一個氣體傳感器。根據(jù)所用石墨烯的來源不同可分為一下幾大類：l剝離石墨烯片氣體傳感器l還原氧化石墨烯氣體傳感器lCVD生長石墨烯氣體傳感器基本結構剝離石墨烯片氣體傳感器 一般只是單獨構筑氣敏器件。這類石墨烯價帶一般是零或者接近于零，故而吸收少量分子，導電率就有明顯變化，較傳統(tǒng)半導體氣敏期間靈敏度大幅度提升。 在剝離的石墨烯片上沉積鉑電極就得到一個氣敏元件由于這樣的石墨片吸收很難離散，而且石墨烯厚度均勻，所以在實際操作中十分困難，一般用于實驗室中。還原氧化石墨烯氣體傳感器可以單獨加工石墨烯

5、也可以借助薄膜技術制成氣體傳感器。單獨用石墨烯構筑的方法和前邊方法一樣。借助薄膜技術,主要為旋涂法。即在交叉電極上利用旋涂技術覆蓋石墨烯片制得氣體傳感器。這種器件具有低噪音可調(diào)節(jié)靈敏度等特點。CVD生長石墨烯氣體傳感器主要有兩種形式，一種是石墨烯場效應管，一種是三維石墨烯泡沫氣體傳感器。這里主要介紹石墨其場效應管氣體傳感器。它可以通過調(diào)節(jié)柵壓來調(diào)節(jié)傳感器對氣體的響應。對常見氣體檢測情況目標氣體目標氣體材料組成材料組成檢測范圍檢測范圍摻鈀的多層石墨烯納米帶網(wǎng)化學氣相沉積石墨烯薄膜408000mg/L石墨烯片聚乙烯吡咯烷酮還原氧化石墨烯復合材2510000mg/L相對濕度30%90% 乙醇氧化鋅石

6、墨烯復合材料1040mg/L 硫化氫氧化鋅石墨烯復合材料2mg/L 氨氣三維石墨烯泡沫20100mg/L“另類”的石墨烯氣體傳感器 在制造石墨烯的過程中，石墨烯逐漸形成晶格或片狀時，會隨機出現(xiàn)一些單晶顆粒。這種多晶結構與單晶之間的邊界被稱為晶界。由于晶界會造成電子的散射，削弱石墨烯晶格的性能，具有晶界的石墨烯通常都被認為是毫無價值的次品。2014年9月22日自然通信上題為Chemical sensing with switchable transport channels in graphene grain boundaries的論文指出石墨烯的這種晶界缺陷可用來制造氣體傳感器，其靈敏度是傳統(tǒng)

7、傳感器的300倍。實驗裝置如圖，圖中標號1-6為電極，紅線圈出部分中央為石墨烯晶界。在一定的目標氣體環(huán)境中測電極間的電阻。目標氣體（50ppb）為DMMP(甲基磷酸二甲酯)和DCB（一二氯苯）。實驗結果實驗分析了1.晶界處靈敏度變化和單晶處靈敏度變化2.電極距離與傳感器靈敏度變化3.晶界個數(shù)與傳感器靈敏度關系4.傳感器的響應曲線靈敏度時間響應曲線靈敏度-電極距離曲線靈敏度-晶界個數(shù)曲線電壓與靈敏度曲線電流響應曲線解釋晶界的不規(guī)則特性使其具備了數(shù)百個不同靈敏度的電子傳輸間隙。這就像是許多平行的并聯(lián)開關，當氣體分子在晶界上發(fā)生聚集，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移時，這些開關會突然打開或者關閉。這一切都發(fā)生在一個非常短暫的時間當中。而這便是用其制成的氣體傳感器能夠具備超高靈敏度的原因所在。參考文獻1.陳婷，基于石墨烯電化學傳感器研究進展，材料導報，2014，28（2），7-222.孫豐強，許適博，石墨烯材料在氣體傳感器中的應用，華南師范大學學報，2013，45（6），92-983.HEQ，Wus，YINZ，et al.Graphene-based electronic sensors,J Chem Sci,2012,3:1764-17724.Poya Yasaei,Amin Salehi-Khojin,et al, C