基于石墨烯的气体传感器阵列的制备及特性研究

摘要

石墨烯材料自从2004年被科学家发现以来，因其独特的电学、力学和物理化学性能，大的比表面积以及高的电子迁移率而被大量学者关注，成为当前的研究热点。研究表明：石墨烯与聚合物或者金属氧化物掺杂能够有效的提升材料对气体的响应度。此外，单一气体传感器在多组混合气体检测中存在交叉敏感特性的现象，致使传感器无法适用于多种未知气体组成的环境中。将具有不同选择性的多个气敏单元构成传感器阵列，结合模式识别技术对其输出响应进行分析研究，便能够实现传感器选择性的改善以及测量精度的提高。本文选择对基于石墨烯的气体传感器阵列的制备工艺及气敏特性进行了研究。针对气体传感器单元，对其气敏响应、重复性以及选择性进行了相关测试与分析，并结合薄膜的表面以及截面形貌对其气敏响应机理作了初步探讨。进而探寻RGO（还原的氧化石墨烯，Reduced Graphene Oxide）材料在传感器领域中气体传感器阵列方面潜在应用的可能性。
　　本研究主要内容包括：⑴制备了传感器阵列，并对制备工艺进行参数优化。⑵采用掩膜法将SnO2/RGO、ZnO/RGO、PVP/RGO、PPY/RGO四种敏感材料分别气喷在传感器阵列上，并测试传感器阵列对NO2响应恢复特性。研究表明，SnO2/RGO复合材料对NO2的灵敏度最大。为进一步研究该复合材料的气敏性能，制备了四种SnO2质量分数不同的SnO2/RGO复合材料，分别测试该复合材料对NO2响应恢复特性重复性、稳定性及对多种气体的选择性。结果表明，掺杂适量SnO2会提高复合材料对NO2的灵敏度，并且复合材料对NO2的选择性最好，重复性也较好，但是长期稳定性还有待提升。⑶采用掩膜法将SnO2/RGO、ZnO-(SnO2/RGO)、PVP/RGO、PPY/RGO四种敏感材料分别气喷在传感器阵列上，并测试NH3响应恢复特性。研究表明，ZnO-(SnO2/RGO)分层气敏薄膜对NH3的灵敏度最大。为进一步研究该分层膜的气敏性能，制备了四种RGO质量分数不同的分层膜，分别测试其对NH3响应恢复特性、重复性、长期稳定性及对多种气体的选择性。研究表明，掺杂适量RGO会提高分层膜对NH3的灵敏度，并且分层膜对NH3的选择性最好，重复性也较好。