石墨烯基电子油墨及其在印制式传感器中的应用研究

摘要

通过油墨印刷在柔性衬底上制造电子器件的方法具有低成本及可规模化生产等优点，因此，此方法成为制造柔性电子器件的首选方案之一。近年来，大量研究者均关注于石墨烯及石墨烯相关复合油墨的制备，及其在不同类型电子器件的应用。然而，如何制备出具有高质量，低成本及环境友好等优点的石墨烯基油墨，依然是一个巨大的挑战。本论文从器件应用的角度出发，针对不同的应用方向，调制出相匹配的石墨烯基电子油墨，并研究其印制成器件后的传感性能。主要内容如下：
　　1.可凹版印制的凝胶态微米尺寸的石墨烯片（Graphene microsheets,GMs）/聚合物复合油墨及其在应变传感器中的应用。具有大的拉伸应变量，高的灵敏度的应变传感器，由于其在电子皮肤，健康监测系统等的应用，成为了一个研究热点。然而，如何制造出同时兼具大的拉伸量与高的灵敏度的应变传感器依然是一个大的挑战。本研究首先通过改变GMs的初始浓度，优化得到了具有最佳导电及流变性能的GMs/聚合物（PVAc-PVP）复合凝胶态油墨。接着，利用凹版印刷技术，将油墨印制成一个具有GMs-Ag纳米线-GMs（GMs-Ag NWs-GMs）三层错层结构的应变传感器。得益于GMs层之间的错层结构及Ag NWs的导电桥连作用，传感器可以检测的拉伸应变量为90％，应变系数GF值达82.3～292，同时可以进行超过1000次循环测试。综上，GMs-Ag NWs-GMs传感器实现了拉伸范围较大同时灵敏度较高的应变监测。
　　2.全印制式WO3/Pt修饰的石墨烯纳米片组成的复合型丙酮传感器。呼出气中的丙酮含量可以作为糖尿病的一个生物标记。因此，制造出选择性好，低功耗，灵敏度高，柔性的器件来检测ppb量级的丙酮，用于非侵入式糖尿病监测是非常必要的。然而，在较低温度下（<250℃）对丙酮气体实现高选择性，高敏感度的检测依然是个大的挑战。本研究采用WO3/Pt修饰的石墨烯纳米片（WO3/Pt-GNs）的复合油墨，通过凹版印刷技术印制在聚酰亚胺衬底上，制成了柔性轻薄的化学传感器。为了探究石墨烯的尺寸对传感器气敏性能的影响，将微米尺寸的石墨烯片（GMs）与纳米尺寸的石墨烯片（Graphene nanosheets,GNs）作为修饰材料引入到WO3体系中进行对比。印制出的WO3/Pt-GNs传感器在200℃下对10 ppm的丙酮气体表现出12.2的响应值，同时其响应恢复时间为14.1/16.8 s。此外，相较于文献报道的其他材料，WO3/Pt-GNs传感器对丙酮气体的选择性表现最好。此气敏性能归因于未被GNs包裹的具有（002）暴露面的WO3，WO3/GNs界面处的大量的p-n结，以及催化性的Pt纳米粒子三者的协同作用。综上，印制的WO3/Pt-GNs传感器可以在较低温度下实现对丙酮的高选择性，高敏感性的监测。
　　本文研究的石墨烯基电子油墨性能良好，印制的GMs-Ag NWs-GMs应变传感器可以实现拉伸量大，敏感度高的应变检测，印制的WO3/Pt-GNs丙酮气体传感器可以实现200℃下选择性好，灵敏度高的丙酮检测。故本研究为石墨烯基油墨在传感器中的应用提供了一定的借鉴意义。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的制备

1.3 石墨烯基油墨的调制

1.4 石墨烯基油墨的瓶颈与挑战

1.5 石墨烯基油墨在传感器中的应用

1.5 研究目标

1.6 研究内容

参考文献

第二章 实验部分

2.1 主要试剂

2.2 主要实验设备

2.3 表征分析方法

2.4 凹版印刷机

2.5 气敏性能的测试方法

参考文献

第三章 GMs/PVAc-PVP复合油墨及其在应变传感器中的应用

3.1 GMs/PVAc-PVP复合油墨的调制及性能表征

3.2 GMs/PVAc-PVP复合油墨印制的应变传感器及GMs-Ag NWs-GMs应变传感器研究

3.3 本章小结

参考文献

第四章 WO3/Pt-GNs复合油墨及其在丙酮传感器中的应用

4.1 油墨的调制与器件制造

4.2 样品表征

4.3 气敏特性研究

4.4 气敏响应机理

4.5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

硕士期间主要研究成果

致谢

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