【摘 要】
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二氧化氮是空气主要污染物之一,会影响人类的健康和日常生活。因此,对二氧化氮气体浓度的监测是非常重要的。现在商用的气体传感器大多是由金属半导体氧化物材料组成。这种传感器虽然制备工艺成熟,但是存在集成度低,成本高,工作温度高,功耗大,寿命短等缺点。石墨烯是一种新型的气体传感材料,具有高的电子迁移率、独特的物理化学性质和大的比表面积等特点,在二氧化氮气体传感领域具有很大的潜力。本文介绍了石墨烯材料的制备
【基金项目】
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广东省科技计划项目（编号2017A010103027）；
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二氧化氮是空气主要污染物之一,会影响人类的健康和日常生活。因此,对二氧化氮气体浓度的监测是非常重要的。现在商用的气体传感器大多是由金属半导体氧化物材料组成。这种传感器虽然制备工艺成熟,但是存在集成度低,成本高,工作温度高,功耗大,寿命短等缺点。石墨烯是一种新型的气体传感材料,具有高的电子迁移率、独特的物理化学性质和大的比表面积等特点,在二氧化氮气体传感领域具有很大的潜力。本文介绍了石墨烯材料的制备和改性、石墨烯基传感材料的发展现状,研究了石墨烯及其复合材料的气敏特性,分析了传感机理,主要工作包括:1.研究了以硅材料为衬底的单层石墨烯传感器。单层石墨烯通过化学气相沉积法（CVD）制备,通过湿法转移方法将单层石墨烯转移到硅基衬底上,制备了硅基单层石墨烯传感器。采用拉曼光谱对单层石墨烯进行结构表征,并研究了传感器对浓度为0.5至10 ppm二氧化氮气体的检测性能,并分析了单层石墨烯的传感机理。通入浓度为5ppm的二氧化氮气体时,单层石墨烯传感器的响应时间为180 s,恢复时间为2400 s,响应度为0.04。当气体浓度为10 ppm时,响应时间为280 s,恢复时间为4852 s,响应度为0.064。2.研究了SnO2 NPs/单层石墨烯复合材料传感器。采用滴涂法和湿法转移工艺将纳米二氧化锡粒子（SnO2 NPs）负载在单层石墨烯上,制备出SnO2 NPs/单层石墨烯复合材料传感器,并使用拉曼光谱和扫描电镜对材料进行表征,测试了该传感器对浓度为0.5至10 ppm二氧化氮气体的检测性能。当气体浓度为10 ppm时,SnO2-Gr-2（0.3 mg/ml SnO2纳米溶液掺杂的单层石墨烯）材料传感器的响应时间为182 s,恢复时间是525 s,响应度为0.25,比硅基单层石墨烯响应度增强4倍左右,恢复时间快9倍左右。与本征单层石墨烯传感相比,SnO2 NPs/单层石墨烯复合材料传感器具有更好的气敏性能3.研究了紫外激光对单层石墨烯的气敏性能的影响。单层石墨烯转移到通过飞秒激光微加工制造的D型光纤上,制备了单层石墨烯/光纤微结构传感器,并在光纤中通入波长355nm的紫外激光,测试了不同激光功率作用下单层石墨烯/光纤微结构传感器对浓度为100至5000 ppb二氧化氮气体的气敏性能。通入浓度为500 ppb的二氧化氮气体,紫外激光输出功率为30 mw时,响应时间为380 s,恢复时间为1407 s,响应度为0.205,相对于无光环境下传感器响应度提高了25倍。可以得出紫外激光光照能提高单层石墨烯/光纤微结构传感器的性能。4.研究了紫外LED光对SnO2 NPs/单层石墨烯复合材料传感器性能的影响。在室温下短时间的紫外光照射能加快二氧化氮分子从SnO2-Gr-2传感材料解吸附,测试了紫外LED光辅助SnO2 NPs/单层石墨烯复合材料传感器对浓度为0.5至10 ppm二氧化氮气体的传感性能。当通入10 ppm的二氧化氮气体时,响应度为25%,响应时间为140 s,恢复时间为9 s,相比未经紫外光照的SnO2-Gr-2材料传感器恢复时间加快了约59倍。因此,SnO2 NPs/单层石墨烯传感器利用紫外LED光照射可以加快二氧化氮气体的解吸附,实现快速检测。
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