氧化石墨烯的濕敏特性及其在微納濕度傳感器上的應(yīng)用.pdf

1、濕度做為一個重要的物理量，在人類日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著非常重要的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，人們對高性能濕度傳感器的需求不斷增加，這為濕度傳感器行業(yè)的發(fā)展帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。近些年，新型納米材料被廣泛報道應(yīng)用于濕度傳感器領(lǐng)域，正逐漸成為濕度敏感材料的主要發(fā)展方向及研究熱點。本論文圍繞一種新興的二維碳質(zhì)納米材料-氧化石墨烯(GO)的濕敏特性開展研究，提出了幾種基于GO敏感薄膜的濕度傳感器，并探討了環(huán)境濕度對GO電學(xué)特性的影響。

2、論文主要工作如下:
　　(1)運用交流復(fù)阻抗法和直流I-V測試兩種方法研究了環(huán)境濕度因素對GO薄膜電學(xué)特性的影響及其機制，并探討了GO薄膜在阻抗式濕度傳感器上的應(yīng)用。1）采用交流復(fù)阻抗法研究了GO薄膜的濕度敏感機制并建立相應(yīng)的等效電路模型，通過分析不同濕度條件下的GO薄膜的Cole-Cole圖和Bode圖，可以發(fā)現(xiàn)在低濕環(huán)境中，GO薄膜的導(dǎo)電機制為材料固有的電子電導(dǎo)和極化，由于GO薄膜固有的電子電導(dǎo)非常微弱，GO材料的極化對復(fù)阻抗

3、貢獻占主導(dǎo)地位，GO薄膜表現(xiàn)出較大的阻抗。而在高濕環(huán)境中，離子電導(dǎo)及水分子參與的極化對GO薄膜導(dǎo)電起主要貢獻，GO薄膜表現(xiàn)出弱的導(dǎo)電性;進一步探討了GO薄膜在阻抗式濕度傳感器上的應(yīng)用，研究結(jié)果表明GO薄膜構(gòu)建的阻抗式濕度傳感器在低頻激勵下(50 Hz)具有較好的濕度響應(yīng)靈敏度，此外這種類型的傳感器還具有濕滯小，響應(yīng)和恢復(fù)迅速等特性。2）研究了不同環(huán)境濕度條件下GO薄膜的直流I-V特性，結(jié)果表明加載電壓幅度影響GO薄膜的I-V特性曲線特征

4、，在低加載電壓區(qū)(-2 V～2 V)，GO薄膜的I-V特性曲線在各個濕度點均表現(xiàn)為近似線性的直線， GO薄膜電阻隨著濕度的增加而下降，且薄膜電阻與掃描電壓大小無關(guān)，而在高加載電壓區(qū)(-4 V～-2 V以及2 V～4V)，GO薄膜的I-V特性曲線特征不僅與外界環(huán)境濕度水平有關(guān)，還與加載在GO上的電壓大小有關(guān)，高幅度加載電壓導(dǎo)致GO薄膜電阻下降，推測可能的機理為GO薄膜在強電場作用下發(fā)生部分還原反應(yīng)，GO的部分碳原子由sp3雜化態(tài)轉(zhuǎn)向sp2

5、雜化態(tài)，從而使得GO薄膜的電導(dǎo)率得以提高。加載電壓幅度的增大以及外界濕度水平的提高都會使得GO薄膜的還原程度提高，導(dǎo)致GO薄膜的電傳導(dǎo)能力得到大幅度提高。上述研究工作表明，對于溶液法制備的GO薄膜電子器件，在應(yīng)用過程中需考慮環(huán)境濕度和工作電壓因素的影響。
　　(2)由于GO薄膜具有的較強親水性、大比表面積及較高機械模量等優(yōu)異特性，提出了一種兼具高靈敏度和高穩(wěn)定度的GO薄膜修飾石英晶體微天平(QCM)濕度傳感器。QCM作為基本換能元

6、件，GO做為濕度敏感層沉積在QCM電極上。首先采用振蕩電路法研究了所制備的QCM濕度傳感器的濕度敏感特性，結(jié)果表明GO薄膜修飾的QCM濕度傳感器呈現(xiàn)出較高的濕度響應(yīng)靈敏度，且在寬濕度范圍內(nèi)(6.4～93.5％ RH)具有較好的線性，以及快速的響應(yīng)及恢復(fù)特性，低的濕滯特性及較好的長期穩(wěn)定性;此外，研究了GO薄膜厚度對傳感器濕度敏感性能的影響，發(fā)現(xiàn)較厚的GO薄膜修飾的QCM濕度傳感器具有更高的靈敏度響應(yīng)，但其線性度略有下降。還采用阻抗電路法

7、研究了GO修飾的QCM濕度傳感器在濕度環(huán)境中的諧振行為，并與傳統(tǒng)聚合物材料修飾的QCM濕度傳感器進行了對比分析。研究發(fā)現(xiàn)，GO薄膜修飾的QCM濕度傳感器在高濕環(huán)境下的品質(zhì)因數(shù)(Q)大大高于聚合物材料修飾的QCM濕度傳感器，因而GO材料比較適合于構(gòu)建具有高穩(wěn)定度的QCM濕度傳感器。
　　(3)基于GO薄膜吸附水分子發(fā)生溶脹這一特性，提出了一種易于集成化的GO-硅雙層結(jié)構(gòu)MEMS濕度傳感器。采用硅微橋做為換能元件，GO材料做為濕敏層涂

8、覆于硅微橋，形成GO-硅的雙層結(jié)構(gòu)。基于GO薄膜的MEMS濕度傳感器的換能原理如下:GO吸附/脫附水分子產(chǎn)生膨脹變形，GO薄膜的膨脹變形作用于硅微橋使其產(chǎn)生相應(yīng)的機械形變，集成在硅微橋內(nèi)部的壓阻惠斯通電橋感知這種機械形變并產(chǎn)生電壓輸出信號。研究發(fā)現(xiàn)，基于GO薄膜的MEMS濕度傳感器在較寬濕度范圍內(nèi)(10～98％ RH)呈較好的濕度線性響應(yīng)，并具有快速的響應(yīng)及恢復(fù)特性，以及較好的重復(fù)性和低濕滯等特性。除此，研究了GO涂層厚度對傳感器濕度響