[發明專利]基于二維材料的雜化分級結構敏感薄膜傳感器件制備方法

有效

• 申請號: 201510036987.7
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104597082B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 謝丹;李嫻;徐建龍;戴睿軒;趙遠帆;王靖;向蘭;朱淼;朱宏偉;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于氣體傳感器和敏感電子學領域，具體涉及一種基于二維材料還原氧化石墨烯與氧化鋅的雜化分級結構敏感薄膜的氣體傳感器件及其制備方法。

背景技術

近年來，以石墨烯為主的新型二維層狀納米材料因其獨特的結構特點，在電、熱、光、力等方面表現出許多獨特的性質，在國際上迅速引起了廣泛的關注。二維材料所具有的大比表面積、良好的半導體特性和低電子噪聲等特點，使其對周圍環境十分敏感，對于氣體傳感器的發展帶來了新的機遇。

在氣體傳感器領域應用的石墨烯可以通過剝離法或化學氣相沉積(Chemical?Vapor?Deposition，CVD)生長制備而成，但機械剝離法得到的石墨烯產物尺寸不容易控制，產量也較低；CVD方法可獲得大面積、均勻生長的石墨烯薄膜，但作為氣體敏感材料時由于石墨烯本身熱能不足以克服氣體脫附所需能量而恢復性較差。還原氧化石墨烯除具有和石墨烯相同的性質外，還具有親水性、適于溶液成膜方式，制備工藝簡單，同時，溶液分散的氧化石墨烯也可以和聚合物或金屬/金屬氧化物形成復合材料體系。因此，還原氧化石墨烯在氣體敏感領域也被廣泛采用。

同時，由于單一的石墨烯作為敏感材料也缺乏特異性，各種氣體分子都有可能引起其電學性能的變化，因此，通過對石墨烯進行功能化復合可以有效解決這個問題，并且對氣敏性能也具有一定程度的增強作用。尤其是金屬氧化物納米材料，與石墨烯復合后可進一步增大比表面積，加快氣體傳輸進程，此外，金屬氧化物表面的電子耗盡層對于氣體分子的吸附過程也具有促進作用。在金屬氧化物納米材料中，氧化鋅因具有良好的半導體性、電化學穩定性以及對氣體敏感等特點也被廣泛應用在氣體敏感領域。

目前，還原氧化石墨烯與氧化鋅的復合敏感材料薄膜的制備方法主要采用水熱法結合滴涂或旋涂成膜工藝、氣噴成膜工藝制備分層薄膜和和電化學方法沉積方法等，通過這些方法制備的氣體敏感器件對丙酮、二氧化碳和過氧化氫表現出了一定的敏感性能，但可檢測氣體濃度均大于5ppm，氣敏性能有待進一步提高，有些氣體敏感器件還需高溫工作條件。如新疆大學Jianjiang?He等人在論文“Reduced?graphene?oxide?anchored?with?zinc?oxide?nanoparticles?with?enhanced?photocatalytic?activity?and?gas?sensing?properties”(The?Royal?Society?of?Chemistry?Advances，2014，4，60253‐60259)中采用氧化石墨烯和醋酸鋅作為前?驅體，通過兩步水熱催化方法制備了還原氧化石墨烯‐氧化鋅納米顆粒復合材料，將其分散于乙醇溶液然后滴涂于三氧化二鋁襯底的鉑電極上，所制備的器件在260℃溫度條件下對5‐1000ppm濃度的丙酮表現出一定的響應性能，但該器件需要的高溫工作條件，無法實現室溫條件下對丙酮氣體的低濃度檢測。

發明內容

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提供了一種基于二維材料的雜化分級結構敏感薄膜傳感器件制備方法；該方法采用層層自組裝方法制備的基于還原氧化石墨烯/氧化鋅的雜化分級結構氣體敏感器件，利用二維材料比表面積大的特點，通過與分級結構氧化鋅的復合有利于氣敏性能的提高，且制備工藝簡單、成本低。

其特征在于：(1)所述敏感薄膜采用氧化石墨烯作為主要敏感材料；(2)所述敏感薄膜采用具有分級結構的氧化鋅對還原的氧化石墨烯進行復合；(3)所述敏感薄膜采用層層自組裝方法制備；(4)所述敏感薄膜具有雜化分級結構；(5)所述敏感器件可實現對低濃度有毒有害氣體的有效檢測。

上述基于層層自組裝方法制備的基于二維材料還原氧化石墨烯與氧化鋅的雜化分級結構敏感薄膜的氣體傳感器件具有以下幾個特點：

(1)采用層層自組裝方法、利用靜電力結合的方法制備的敏感薄膜，具有良好的均勻性；通過控制沉降/提拉速度和浸泡時間可控制自組裝薄膜的厚度；該方法制備工藝簡單，重復性好；

(2)氧化石墨烯具有大比表面積、低電子噪聲和良好半導體性質等優點，此外，充分利用氧化石墨烯帶負電的特性，可獲得二維材料自組裝薄膜，其方法簡單、均勻性好；

(3)具有分級結構的氧化鋅相比于普通氧化鋅材料具有更大的比表面積和更多的氣體吸附位，適用于氣體傳感器領域；