石墨烯基器件的构筑及其对气体的敏感响应

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石墨烯,自从2004年被Geim课题组初次用微机械力剥离法(也称为胶带法)制备出来,作为一种由单层碳原子组成的蜂窝状晶格结构的二维超薄(其厚度仅仅只有约0.34 nm)碳材料,以其独特的性能(例如机械强度为1060 GPa,最高的载流子迁移率15000 cm2/V s以及最好的表面、体积比率等性能)吸引了科学家们极大的兴趣。近年来,石墨烯有着越来越广泛的应用,例如高频电子装置、半透明电极、场效应管传感器和化学/生物传感器等。然而,以石墨烯为基底,修饰上金属纳米粒子等颗粒的石墨烯有许多纯净的石墨烯所不具备的优异性能,而这些独特的性能也为未来用其制作快速、稳定的气体传感器提供了广阔的前景。石墨烯有非常大的比表面积,均匀修饰于其表面的颗粒甚至可以与单个目标分子反应,因此用特定的纳米粒子修饰石墨烯制成的器件有超灵敏的响应。目前,对于氢气、H2S等气体的传感技术的研究越来越多地倾向于在室温下对其进行检测。各种类型的传感器已经被广泛地研究并应用于氢气、H2S等气体的检测中,但是它们都很难在室温下检测气体,甚至是在半导体中加入金属催化剂以后。制备在室温下可实现对毒害、危险气体的灵敏、快速检测,对石墨烯气体传感器的发展具有重要的意义。本论文的研究工作如下:  1、本实验使用的金微电极的具体制备方法是:利用电子束刻蚀法在硅片(其表面上有厚度为1μm的二氧化硅覆盖层)上来制备交叉相错的梳状金微电极(相邻金线之间的间距为20μm,金线的组成为60 nm的Au和10 nm的Ti的合金)。天然鳞片石墨经Modified Hummers法氧化处理,制备氧化石墨烯薄膜,所制备的氧化石墨烯经洗涤、离心,再重新分散于蒸馏水中,超声处理得均匀的氧化石墨烯溶液,将其修饰在金微电极的表面,这样就得到氧化石墨烯修饰的金微电极。利用电化学还原法,可以将氧化石墨烯还原;再以钯胶体溶液为底液,通过直接金属粒子沉积法成功将钯纳米粒子修饰到还原氧化石墨烯金微电极上,得到功能化的金微电极传感器以研究其在室温下对氢气的敏感响应。  2、将制备的氧化石墨烯超声分散之后,用移液枪将均质分散的氧化石墨烯溶液滴涂在金微电极的表面,这样就得到氧化石墨烯修饰的金微电极。利用电化学还原法,可以将氧化石墨烯还原;再以银胶体溶液为底液,通过直接金属粒子沉积法成功将银纳米粒子修饰到还原氧化石墨烯金微电极上,得到功能化的金微电极传感器以研究其在室温下对硫化氢气体的敏感响应。  3、以SnCl4·5H2O为原料,利用水热水解法,制备得到SnO2胶体。将制备的氧化石墨烯超声分散之后,用移液枪将均质分散的氧化石墨烯溶液滴涂在金微电极的表面,这样就得到氧化石墨烯修饰的金微电极。利用电化学还原法,可以将氧化石墨烯还原;再以SnO2胶体溶液为底液,通过直接金属粒子沉积法成功将SnO2纳米粒子修饰到还原氧化石墨烯金微电极上,得到功能化的金微电极传感器以研究其在室温下对氢气的敏感响应。
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