[發明專利]一種使用高能激光制備石墨烯氣體傳感器的方法

在審

• 申請號: 202210291418.7
• 申請日: 2022-03-23
• 公開（公告）號: CN114660131A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 高峰;王小牛;王瑩;侯世坤;康佳寧
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;C01B32/19;C01B32/198
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于石墨烯的新型氣體傳感器。所述氣體傳感器中，以微型平整石墨基板為基礎材料，通過高能激光加工手段，沿設計的路徑進行加工，將加工路徑中的石墨轉化為石墨烯或其衍生物，加工路徑之外的石墨不發生變化，加工后的結構構成一個氣體傳感器；其中石墨部分作為電極與外部電路相連，石墨烯部分作為氣體測量單元進行氣體濃度傳感；其主要的工作機理是石墨烯或其衍生物在吸附氣體后，電阻數值會發生變化，通過外置電路測量電阻阻值的改變量，可以得到氣體濃度信息。所述氣體傳感器體積小、重量輕、制作方便、能夠批量生產、與外部電路連接容易、可以集成在大規模集成電路中，在消費電子領域會產生極大的價值。

技術領域

本發明屬于氣體傳感器領域，更具體地，涉及一種利用高能激光制備出石墨烯或其衍生物，并用來進行氣體傳感。

背景技術

電子氣體傳感器被廣泛應用在工業生產、日常生活以及科學研究領域，其中的半導體電阻式傳感器使用簡單、控制方便，是應用最廣泛的氣體傳感器之一。伴隨消費電子領域的快速發展，越來越多的氣體傳感器被植入一些終端設備以獲取環境、健康相關的更多數據，這要求氣體傳感器要小型化、集成化，并且能夠批量化生產，降低器件的成本。

石墨烯是一種二維碳材料，石墨烯最早從膠帶上進行剝離的，隨后包括液相法，化學氣相沉積法、火焰合成法、脈沖激光法等方法被開發出來。其中，脈沖激光法與氣相沉積法類似，是用激光脈沖氣化碳原子，再從基底上生長的方法。近年來，已經有工作證明高能激光可以使鉆石轉化為石墨烯、將石墨直接剝離成石墨烯。

石墨烯以及其衍生物在氣體傳感器上的應用是近年來的研究熱點。作為氣體傳感器的傳感材料，石墨烯主要有以下優勢：第一，石墨烯具有非常大的比表面積(2630m²/g，單層石墨烯)，意味著其對氣體有非常強的吸附能力；其次，石墨烯與環境之間是范德瓦爾斯力與共價鍵的弱平衡，氣體吸附引起的擾動會干擾電子系統；第三，石墨烯有最低的電導率；第四，少量的額外電子能引起石墨烯電導率的明顯變化。基于以上原因，石墨烯是非常適合作為氣敏材料的功能材料。并且已經有石墨烯相關的氣體傳感器在有毒和爆炸性氣體監測上進行了應用。

但是，基于石墨烯的氣體傳感器開發也面臨許多問題。主要問題有：第一，高質量的石墨烯往往通過化學氣相沉積法生長，成本高昂；第二，石墨烯轉移困難，容易出現褶皺，很難做到標準化轉移；第三，與外部電路連接困難，集成化代價高昂，需要為石墨烯設計單獨的電極，當器件尺寸極小時，往往需要大型半導體加工設備進行電極制備，成本極高，且不能夠大量生產。

針對市場需求大的石墨烯氣體傳感器面臨的制備復雜、難以標準化生產、難以低成本的與電路集成等缺陷，本發明提出了一種使用高能激光，在石墨基板上制備石墨烯及其衍生物的同時，將石墨作為電極，利用石墨烯及其衍生物進行氣體傳感的技術方法。由于在高能加工過程已經解決了氣體傳感器中氣敏材料石墨烯制備和制備電極并緊密連接的問題，使得本發明所提出的氣體傳感器具有制備方法簡單、可以進行大批量生產、低成本的制備電極和易于電路集成等優點。基于以上認識，本申請提出的新型石墨烯氣體傳感器是一種顯著的技術進步。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種利用高能激光在石墨基板上制備石墨烯及其電極并用來進行氣體傳感的技術方案。

本發明實現氣體傳感的基本原理是通過高能激光剝離石墨，在石墨基板上制備出石墨烯或其衍生物，并將剩余的石墨材質作為電極與外部電路相連。由于石墨烯及其衍生物在吸附氣體后，電阻會發生較大變化，實驗中可以通過連接石墨電極，測量整個器件的電阻，來對待測氣體的濃度進行測量。

本發明的氣體傳感器主要構成部分包括石墨基板載體，高能激光沿一定加工路徑制備的石墨烯或其衍生物，未加工部分導電性良好的石墨形成的電極。

所述的氣體傳感器的氣敏材質是高能激光加工石墨過程產生的石墨烯及其衍生物。