基于石墨烯衍生物及類石墨烯的新型濕度傳感器研究

基于石墨烯生物及類石烯的新型濕傳感器研濕度監(jiān)測是健康物聯(lián)網(wǎng)感知識別層所關注的環(huán)境層面的重要組成著近年來,物聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展,許多應用領域?qū)穸缺O(jiān)測提出了更高的要求。例如IC工業(yè)生產(chǎn)化學品儲運及農(nóng)業(yè)倉儲等領域需要將環(huán)境濕度控制在較低的水平,這就需要高靈敏度的濕度傳感器精確監(jiān)控濕度變化在大氣濕度監(jiān)測吸監(jiān)測、肺病監(jiān)測及麻醉監(jiān)控等領域,需要具有快速響應特性的濕度傳感器對濕度進行實時的監(jiān)控。因此,需要研究制備高性能的濕度傳感器以滿足應用領域日益提高的監(jiān)測需求前,新型納米材料被廣泛地應用于濕度傳感器領域成為制備高性能濕度傳感器的主要選擇文圍繞石墨烯衍生物(GO,QD-GO)類石墨烯(MoS2)材料的相關濕敏特性,發(fā)展了具有不同特點的幾種高性能的濕度傳感器。論文的主要工作如下:(1)基GO復合納Ag粒子發(fā)展了一種高靈敏度濕度傳感器過將不同濃度的Ag粒子復合進GO制備了一種新型的電容敏感型濕度傳感器。采用TEM、XRD、FTIR及接觸角等方法表征分析了濕敏薄膜的微觀結構和親水特性,表GO/Ag復合薄對水分子具有更強的吸附特性;利電橋測試了制備的濕度傳感器的濕敏特性,發(fā)GO/Ag濕度傳感器的靈敏度相比于純GO濕度傳感器提高了2個數(shù)量級,相較于聚酰亞胺等傳統(tǒng)材料濕度傳感器,提高了3個數(shù)量級。通過對傳感器Ⅳ特性的研究發(fā)現(xiàn)濕敏薄膜表現(xiàn)出肖特基特性濕度的增加會降低濕敏薄膜的肖特基勢壘高度,加強了其離子傳導特性;傳感器的復阻抗測試結果表明Ag粒子促進了濕敏薄膜在對水分子的吸附過程中液態(tài)水層的形成,同樣加強了濕敏薄膜的離子傳導特性,上述兩點因素促使了GO/Ag濕度傳感

器具有更高的感濕靈敏度。(2)基于氧化石墨烯量子點實現(xiàn)了一種快速濕度傳感器。通過涂覆氧化石墨烯量子點薄膜在叉指電極上制備了阻抗型濕度傳感器研究了制備的濕度傳感器的響應和恢復特性,測試結果表明傳感器具有亞秒級的響應速度,傳感器的響應時間與濕敏薄膜厚度成反比。結合濕敏薄膜的微觀結構特征提出了路口密度理論,解釋了傳感器的快速響應機制吸監(jiān)測實驗表明該濕度傳感器可以靈敏監(jiān)測人體呼吸時鼻腔周圍濕度的變化,能夠反映人體的呼吸行為,這種非接觸測量的方式為人體呼吸監(jiān)測提供了新的選擇結合靜電自組裝工藝提出了一種基于氧化石墨烯量子點的超快響應濕度傳感器的制備方法。將QD-GO與聚二烯丙基二甲基氯化銨PDDA)利用靜電自組裝的方法形成超薄復合薄膜并制備成阻抗型濕度傳感器。濕敏響應測試結果表明傳感器具有超快的響應速度,響應和恢復時間縮短到幾十毫秒之內(nèi)。傳感器的浸水測試結果表明,傳感器具有較好的水耐受性。超快的濕敏響應速度和較好的水耐受性,擴展了該濕度傳感器的應用領域。(4)基于MoS2/Ag復合薄膜實現(xiàn)了一種的高靈敏度濕度傳感器。通過控制與MoS2散液的復合體積比,得到不同Ag含量的MoS2/Ag合薄膜,并制備成電容型的濕度傳感器。實驗表征了濕敏薄膜的微觀結構并且研究了制備的濕度傳感器的濕敏性能。濕敏性能測量結果表明,制備的濕度傳感器的靈敏度相較于純的MoS2濕度傳感器提高了兩個數(shù)量級面形貌和接觸角表征分析表明復合薄膜具有更強的親水性能;復阻抗特性測試結果表明Ag子可以加強濕敏薄膜的離子傳導特性,這些因素導致了MoS2/Ag傳感器具有更高的響應靈敏度。

(5)提出了一種基于二氧化硅微球支撐的快速響應濕度傳感器的制備方法。在IDE上依次制備Si02微球支撐層和感濕層,通過SEM表征分析了制備的雙層薄膜的結構特性,并且實驗研究了制備的傳感器的濕敏性能。測試結果表明,相較于Si02微球支撐層MoS2濕度傳感器,加入支撐層可以使傳感器的響應速度提高1倍以上