[發(fā)明專利]一種基于石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜的快速濕度傳感方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710382406.4
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107024453A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邢飛;閆立群
• 申請（專利權(quán)）人: 北京碳世紀(jì)科技有限公司;邢飛
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜的濕度傳感方法，特別涉及一種基于石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜在反射耦合結(jié)構(gòu)下的表面波吸收技術(shù)來對濕度進(jìn)行快速檢測分析的方法，屬于工程技術(shù)、化學(xué)和材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，傳感濕度的方法主要是通過測量吸濕材料電阻變化達(dá)到傳感濕度的目的。為了達(dá)到較高的靈敏度，吸濕材料一般為塊狀三維結(jié)構(gòu)，其吸附和交換水分子需要一個較長的時間，因此這種傳感器很難實現(xiàn)對濕度的快速檢測。

石墨烯作為一種二維材料在光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等方面展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能：如透光率達(dá)到97.7%，近完全透明；電子輸運速度達(dá)到光速的1/300; 熱導(dǎo)率達(dá)到5000W·m^-1·K^-1; 比表面積高達(dá)2630 m²/g。氧化石墨烯（GO）作為石墨烯最重要的衍生物，在保留著石墨烯眾多特性的同時，其表面豐富的含氧官能團(tuán)使其具備良好的親水特性，可以穩(wěn)定的分散在水溶液或有機(jī)溶劑的溶液中，具有良好的吸濕性。因此，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在基于氧化石墨烯薄膜的光纖濕度傳感器（CN105259139A、CN205317655U），其將光纖傳感結(jié)構(gòu)浸入氧化石墨烯或氧化石墨烯與瓊脂糖混合物的分散液中，從而可以在光纖傳感器的表面均勻鍍上氧化石墨烯薄膜或氧化石墨烯/瓊脂糖復(fù)合薄膜，利用氧化石墨烯薄膜的吸濕膨脹和干燥溶脹的特性，其可以制成光纖光柵濕度傳感器。該傳感器的測量靈敏度相對于傳統(tǒng)的傳感器更高，然而石墨烯膜在吸收水分后，其需要在室溫放置48小時左右進(jìn)行自然干燥，以得到干燥溶脹的石墨烯，并進(jìn)一步對其干涉峰強(qiáng)測定來得到濕度的變化曲線，其所需的測量時間過長，還是無法滿足對于濕度靈敏且快速測量的目的。

本專利的申請人在之前的專利中（201611076871.7 ）提出了一種基于石墨烯表面波的高靈敏度超快折射率探測裝置和方法，申請人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在反射耦合結(jié)構(gòu)下，入射光場的一部分分量會沿石墨烯表面?zhèn)鞑バ纬杀砻娌ǎ@種表面波在特定石墨烯厚度條件下甚至可以傳播數(shù)十微米遠(yuǎn)，即石墨烯表面波。由于石墨烯層對表面波的吸收十分敏感，折射率細(xì)微的改變都將導(dǎo)致石墨烯對于表面吸收波快速響應(yīng)和變化，因此，如果能夠提供一種快速改變被測介質(zhì)折射率改變的方法，能夠使被測介質(zhì)的折射率在瞬間發(fā)生微小的變化，從而使石墨烯對表面波的吸收發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致反射光強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)變化，由此便可以實現(xiàn)對待測物體折射率的高靈敏度和快速測量。

鑒于氧化石墨烯的二維結(jié)構(gòu)能夠有效減少水分子吸附交換的時間，如果進(jìn)一步結(jié)合石墨烯表面波吸收技術(shù)帶來的靈敏折射率傳感能力，則能夠?qū)崿F(xiàn)快速的濕度檢測。這在人工智能、工程技術(shù)等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在無法實現(xiàn)濕度的快速、靈敏測量的問題，本發(fā)明提供了一種基于石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜在反射耦合結(jié)構(gòu)下的表面波吸收技術(shù)來對濕度進(jìn)行快速檢測分析的方法。通過對石墨烯薄膜的表面進(jìn)行化學(xué)改性以形成氧化石墨烯/石墨烯復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜同時具備氧化石墨烯對水分子良好的吸附性以及石墨烯對于表面吸收波快速響應(yīng)和變化特性，因而可以提高復(fù)合薄膜表面對水分子的吸附交換速度，并增強(qiáng)其折射率傳感靈敏度，從而實現(xiàn)濕度快速、靈敏的測量。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種基于石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜的濕度傳感方法，所述方法包括，

1）制備基于石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜的濕度傳感器，其中所述濕度傳感器自下而上依次為耦合棱鏡、透明基底、結(jié)合至基底表面的石墨烯膜、以及位于石墨烯膜表面的氧化石墨烯膜；其中上層的氧化石墨烯薄膜用于快速吸附待測濕度環(huán)境中的水分，而下層的石墨烯層則用來反映入射光的表面吸收波變化，這是由于這種復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)才能同時實現(xiàn)對于水分的吸附以及對于表面波的吸收，進(jìn)而實現(xiàn)了基于折射率的濕度測量；

2）光學(xué)系統(tǒng)搭建：利用光束照射并依次通過濕度傳感器的耦合棱鏡和透明基底，并在石墨烯/氧化石墨烯復(fù)合薄膜上形成探測區(qū)域，然后將反射的光束經(jīng)過依次經(jīng)過偏振分光、光電轉(zhuǎn)換以及電壓信號收集裝置，以將攜帶有折射率信息的反射光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栠M(jìn)行存儲；