基于石墨烯的QCM湿度传感器的制备与特性研究

摘要

湿度是一个表示大气干燥程度的物理量，与人类生活和国民生产息息相关；环境湿度对人类的健康影响很大，同时对工农业生产、气象、环保、航天、国防等领域也有重要影响。随着科学技术的日益进步，各行各业对高性能湿度传感器的需求也日益增加。因此，开发灵敏度高、响应迅速、湿滞小、成本低的湿度传感器具有非常重要的意义。本文以石英晶体微天平（QCM）为传感器件，制备了聚乙烯亚胺/氧化石墨烯（PEI/GO）自组装薄膜和氧化石墨烯/氧化锌（GO/ZnO）分层薄膜湿度传感器，对敏感薄膜进行了分析表征，并系统研究了室温条件下传感器在11.3-97.3％RH湿度范围的湿敏特性。
　　本研究主要内容包括：⑴采用静电层层自组装工艺在QCM器件上沉积了PEI/GO湿敏薄膜，室温条件下研究了自组装薄膜结构、层数对QCM湿度传感器湿敏性能的影响。结果表明PEI膜层在最上层时具有良好的湿敏特性，传感器响应值随自组装层数的增加而增加，最大频率变化为1802Hz，而湿滞则随着自组装层数的增加先减小后增大，最小湿滞为4.2%RH。此外，还初步探索了PEI/单层氧化石墨烯（SGO）自组装薄膜的湿敏特性，9层PEI/SGO-QCM湿度传感器的最大响应值为3338Hz，但响应/恢复时间和湿滞相较PEI/GO传感器没有明显改变。结合扫描电镜（SEM）、紫外—可见光谱、傅里叶变换红外光谱等对湿敏机理进行了分析，其中红外光谱证明了PEI和 GO之间存在酰胺化反应，自组装薄膜中含有较多的亲水基团，水分子主要通过物理吸附作用吸附在薄膜上。⑵采用气喷工艺在QCM器件上沉积了GO/ZnO分层薄膜，测试了该传感器的湿敏特性，并研究了分层薄膜结构对QCM湿度传感器湿敏性能的影响。结果表明GO/ZnO（ZnO膜层在下）薄膜传感器的湿敏性能优于ZnO/GO（ZnO膜层在上），其灵敏度达到41.1 Hz/%RH，响应/恢复时间最小达到2s/3s，并具有较好的重复性和稳定性。分析认为GO/ZnO膜层中ZnO纳米颗粒对GO层起到了支撑作用，且分层膜中ZnO颗粒尺寸相较单一ZnO小，使得GO/ZnO分层薄膜的比表面积增大，从而提供了更多的吸附位点，提高了湿度传感器的湿敏特性。另外还初步探索了SGO/ZnO分层薄膜的湿敏特性，发现SGO/ZnO传感器相较GO/ZnO响应值明显增大，湿滞减小，初步认为SGO相较GO提供了更多的水分子吸附位点。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 湿度传感器国内外研究状况

1.4 本论文主要研究内容

第二章 基本原理与实验方法

2.1 敏感材料

2.2石英晶体微天平（QCM）基本原理与传感理论

2.3 薄膜主要表征方法

2.4 QCM湿度传感器测试及特性参数

2.5 本章小结

第三章 PEI/GO-QCM湿度传感器的湿敏特性研究

3.1 引言

3.2 PEI/GO-QCM湿度传感器的制备

3.3 PEI/GO湿敏薄膜的表征与分析

3.4 PEI/GO-QCM湿度传感器的湿敏特性研究

3.5 PEI/GO-QCM湿度传感器的湿敏机理

3.6 本章小结

第四章 GO/ZnO-QCM湿度传感器的湿敏特性研究

4.1 引言

4.2 GO/ZnO-QCM湿度传感器的制备

4.3 GO/ZnO湿敏薄膜的表征与分析

4.4 GO/ZnO-QCM湿度传感器的湿敏特性研究

4.5 GO/ZnO-QCM湿度传感器的湿敏机理

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果