[發(fā)明專利]二維薄層材料氣體傳感器、其制備方法及應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111267826.0
• 申請日: 2021-10-28
• 公開（公告）號: CN114018988A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁夢寧;劉冰倩;潘揚航
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué);南京南欣醫(yī)藥技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;G01N1/44
• 代理公司: 南京常青藤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32286
• 代理人: 屈金波

本發(fā)明屬于二維材料氣體傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及二維薄層材料氣體傳感器、其制備方法及應(yīng)用，本發(fā)明采用275nm氧化硅片作為器件襯底，通過機械剝離的方式將二維材料黏附在襯底上，以溫和的紫外光還原溶液的方法在二維材料上沉積單原子，利用電子束蒸鍍在二維材料兩端蒸鍍兩條平行的帶鈦附著層的金電極，組成傳感器件。本發(fā)明利用單原子的高效活性開發(fā)出了具備高性能的揮發(fā)性有機化合物氣體傳感器。傳感器檢測下限可達5ppm。此外，本發(fā)明器件工藝簡單，體積小，在檢測丙酮氣體和乙醇氣體含量方面有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于二維材料氣體傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于三種金屬單原子修飾三種二維材料的揮發(fā)性有機化合物氣體傳感器、制備方法及其在檢測丙酮蒸汽和乙醇蒸汽方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)

揮發(fā)性有機化合物是一類由于蒸氣壓高、沸點低、活性強等特點，在環(huán)境條件下容易揮發(fā)的化合物。人類呼吸中的一些揮發(fā)性有機化合物可作為各種疾病的生物標志物(例如，丙酮可作為糖尿病的呼吸生物標志物)。呼吸測試是一種快速、無創(chuàng)的診斷方法，可以將呼出氣體中的特定揮發(fā)性有機化合物與醫(yī)療條件聯(lián)系起來，因此，開發(fā)一種在室溫下，用簡便有效的方法來檢測這些揮發(fā)性化合物濃度的傳感器非常重要。

在種類眾多的氣體傳感器中，以二維材料為敏感材料的電阻型氣體傳感器具有靈敏度高，檢測下限低和成本較低等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的氣體傳感器之一。許多研究利用納米粒子修飾二維材料增加活性位點，提高材料的比表面積，從而提高材料的氣敏性能。

具有孤立金屬位的單原子因其顯著的催化作用和最大的原子利用率引起廣泛關(guān)注，可以提供高效和高活性的表面位置。Graphene和MoS₂等二維材料因其超大的比表面積和低焦耳噪聲，在氣體檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。雖然采用Graphene和MoS₂作為敏感材料的氣體傳感器的研究工作已被廣泛報道，但是大多數(shù)基于此類薄層二維材料的氣體傳感器靈敏度較低，選擇性差，且需要在高溫條件下工作，這極大限制了基于薄層二維材料氣體傳感器的應(yīng)用。因此需要對Graphene和MoS₂等二維材料進一步改性，增強其對揮發(fā)性有機化合物的靈敏度和選擇性。

發(fā)明內(nèi)容

本申請中為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于金屬單原子修飾二維薄層材料的揮發(fā)性有機化合物氣體傳感器。

本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：一種二維薄層材料的氣體傳感器，包括基底、電極層、負載金屬單原子的二維薄層、氣管以及外罩；兩條平行的所述電極層黏附在所述基底的上端面，負載金屬單原子的二維薄層黏附在所述電極層之間，所述外罩罩設(shè)在負載金屬單原子的二維薄層外，所述外罩上設(shè)有氣管。

優(yōu)選的，所述電極層的上端面設(shè)有PMMA膠層；所述電極層通過黏附層黏附在基底上，所述電極層為Au電極，所述黏附層為Ti黏附層。

優(yōu)選的，所述PMMA膠層上設(shè)有窗口，所述窗口位于負載金屬單原子的二維薄層處。

一種氣體傳感器的制備方法，包括如下制備方法：

S1.制備具有特定金屬電極分布的基底：在基底上繪制自定義的電路圖案，然后在基底上依次蒸鍍具有特定厚度的粘附層金屬和電極金屬，將蒸鍍后的基底置于丙酮中浸泡，之后用丙酮和異丙醇沖洗基底至除圖案化區(qū)域以外的蒸鍍金屬完全剝離，并進行吹干；

S2.制備具有薄層二維材料的基底：將步驟S1具有特定金電極分布基底置于等離子體發(fā)生器中清洗；在用于物理剝離二維材料的特殊膠帶上粘附欲研究材料的高質(zhì)量原礦，然后將膠帶貼合至基底上，在基底上得到分布相對均勻的二維材料，并選取具有合適厚度的薄層二維材料；

S3.制備可連接至外電路的二維材料微納器件：在步驟S2基底上繪制自定義的電路圖案，然后依次蒸鍍具有特定厚度的粘附層金屬和電極金屬；將蒸鍍后的基底置于丙酮中浸泡，之后用丙酮和異丙醇沖洗基底至除圖案化區(qū)域以外的蒸鍍金屬完全剝離，并進行吹干；