石墨烯气体传感器

对常见气体检测情况
目标气体 材料组成
掺钯的多层石墨烯纳米带 网 化学气相沉积石墨烯薄膜 石墨烯片 聚乙烯吡咯烷酮－还原氧 化石墨烯复合材
检测范围
40~8000mg/ L
乙醇
硫化氢 氨气
25~10000mg /L 相对湿度 30%~90% 氧化锌－石墨烯复合材料 10~40mg/L 氧化锌－石墨烯复合材料 2mg/L 三维石墨烯泡沫 20~100mg/L
石墨烯气体传感器
辛超 学号：M201472140
主要内容
石墨烯及其性质
石墨烯气体传感器
一种另类的石墨烯气体传感器
石墨烯结构
如图为石墨烯结构图。 它是是一种由碳原子 以sp2杂化轨道组成六 角型呈蜂巢晶格的平 面薄膜，只有一个碳 原子厚度的二维材料。 。
基本结构示意图
石墨烯的特性
电阻率小 高机械强度和弹性
透明度高
石墨烯 的性质
结构稳定
导热性好
电子传导速率最快
石墨烯性质
电学性质
零带宽载流子迁移率：200000cm2∙V‐1∙s‐1 室温量子霍尔效应 双极化电场效应 断裂强度：~125GPa 杨氏模量：~1000GPa
机械性质
热学性质
化学性质 光学性质
热导率：~5000W∙m‐1∙K‐1
基本结构
选定特定的绝缘陶瓷衬底，在此衬底表面涂覆或生长石墨烯材料 或石墨烯／半导体复合材料作为气敏材料，在气敏材料两端引出 电极，电极接入检测电路即可获得一个气体传感器。 根据所用石墨烯的来源不同可分为 一下几大类：
剥离石墨烯片气体传感器
还原氧化石墨烯气体传感器 CVD生长石墨烯气体传感器
比表面积：~2630m2∙g‐1 在较宽波长范围内吸收率约2.3%
石墨烯的制备方法
微机械剥离法
碳纳米管横向切割法 微波法 电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石 墨 烯 的 制 备 方 法
石墨氧化还原法 电化学还原法 溶剂热法
液相剥离石墨法
碳化硅裂解法 化学气相沉积法
石墨烯气体传感器
基本原理
参考文献
1.陈婷，基于石墨烯电化学传感器研究进展，材料导报， 2014，28（2），7-22 2.孙丰强，许适博，石墨烯材料在气体传感器中的应用， 华南师范大学学报，2013，45（6），92-98
3.HEQ，Wus，YINZ，et al.Graphene-based electronic sensors,[J] Chem Sci,2012,3:1764-1772 4.Poya Yasaei,Amin Salehi-Khojin,et al, Chemical sensing with switchable transport channels in graphene grain boundaries,Nature Communications ,2014,9.22:ncomms5911
1.
灵敏度时间响应曲线
灵敏度-电极
电流响应曲线
解释
晶界的不规则特性使其具备了数百个不同灵敏度的电 子传输间隙。这就像是许多平行的并联开关，当气体 分子在晶界上发生聚集，电荷发生转移时，这些开关 会突然打开或者关闭。这一切都发生在一个非常短暂 的时间当中。而这便是用其制成的气体传感器能够具 备超高灵敏度的原因所在。
实验装置
如图，图中标号1-6为电极，红线圈出部分中央 为石墨烯晶界。在一定的目标气体环境中测电极 间的电阻。目标气体（50ppb）为DMMP(甲基磷酸 二甲酯)和DCB（一二氯苯）。
实验结果
实验分析了
晶界处灵敏度变化和单晶处灵敏度变化 2. 电极距离与传感器灵敏度变化 3. 晶界个数与传感器灵敏度关系 4. 传感器的响应曲线
“另类”的石墨烯气体传感器
在制造石墨烯的过程中，石墨烯逐渐形成晶格或片状时，会随 机出现一些单晶颗粒。这种多晶结构与单晶之间的边界被称为 晶界。由于晶界会造成电子的散射，削弱石墨烯晶格的性能， 具有晶界的石墨烯通常都被认为是毫无价值的次品。2014年9月 22日《自然·通信》上题为《Chemical sensing with switchable transport channels in graphene grain boundaries》的论文指出石墨烯的这种晶界缺陷可用来制造气 体传感器，其灵敏度是传统传感器的300倍。
还原氧化石墨烯气体传感器
可以单独加工石墨烯也可以借助薄膜技术制成气体传感 器。 单独用石墨烯构筑的方法和前边方法一样。借助薄膜技 术,主要为旋涂法。即在交叉电极上利用旋涂技术覆盖石 墨烯片制得气体传感器。这种器件具有低噪音可调节灵 敏度等特点。
CVD生长石墨烯气体传感器
主要有两种形式，一种是石墨烯场效应管，一种是三维 石墨烯泡沫气体传感器。这里主要介绍石墨其场效应管 气体传感器。它可以通过调节栅压来调节传感器对气体 的响应。
剥离石墨烯片气体传感器
一般只是单独构筑气敏器件。这类石墨烯价带一般 是零或者接近于零，故而吸收少量分子，导电率就有明 显变化，较传统半导体气敏期间灵敏度大幅度提升。
在剥离的石墨烯片上沉积铂电极就得到一个气敏元件 由于这样的石墨片吸收很难离散，而且石墨烯厚度均匀，所 以在实际操作中十分困难，一般用于实验室中。
石墨烯吸附目标气体后其电导率发生变化，通过确定电导率变 化及目标表气体浓度间的变化关系，就可以通过测量石墨烯的电 导率变化从而测得目标气体的浓度。属于电阻式传感器。 理论研究表明，石墨烯作为P型半导体，其导电性会受到吸附 上来的的气体分子的影响，即如果附着在石墨烯表面的气体分子 具有诱导拉电效应时，其表面空穴增多而表现出导电性的上升。 如果表面气体分子具有共轭给电子效应，其表面空穴会减少而表 现出导电性下降。