graphene气敏性能_张焕林

石墨烯气敏性能的研究进展

张焕林１，李芳芳２，刘柯钊１

（１　表面物理与化学重点实验室，绵阳６２１９０７；２　中国工程物理研究院，绵阳６２１９００

）摘要 石墨烯因具有高的电子迁移率和超大的比表面积而有望成为新一代的气敏材料，近年来有关石墨烯气体传感器的研究工作逐年增加。概述了石墨烯的结构和特性；介绍了典型石墨烯气体传感器的工作原理；综述了本征和功能化石墨烯的多种气体气敏特性在理论和实验上的研究现状。

关键词 石墨烯　本征石墨烯　改性石墨烯　气敏特性

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｇａｓ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　

ｏｆ　ＧｒａｐｈｅｎｅＺＨＡＮＧ　Ｈｕａｎｌｉｎ１，ＬＩ　Ｆａｎｇｆａｎｇ２，

ＬＩＵ　Ｋｅｚｈａｏ１

（１　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　

６２１９０７；２　Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　

６２１９００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｅｘｃｅｐｔｉｏｎａｌｌｙ　ｈｉｇｈ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｏ－ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ，ｇｒａ－ｐｈｅｎｅ　ｉｓ　ｔｈｏｕｇｈｔ　ｔｏ　ｂｅ　ａ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｏｒ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｉｎｇ．Ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｒｅｐｏｒｔｅｄ　ａｒｔｉｃｌｅｓａｂｏｕｔ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉ－ｐｌｅ　ｏｆ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｗｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔａｔｕｓ　ｏｎ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　

ｏｆ　ｐｒｉｓｔｉｎｅ　ａｎｄ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｔｏ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｇａｓｅｓ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｐｒｉｓｔｉｎｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｇａｓ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　张焕林：女，硕士研究生，从事碳材料的功能化研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ

ｈｌ０６＠１２６．ｃｏｍ０　引言

石墨烯是除了石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管之外碳元素的又一种同素异形体。它是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构，

是构成其他维数材料的基本结构单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆

垛成三维的石墨［１］

。２００４年英国曼彻斯特大学的物理学教授Ｇｅｉｍ的研究组［２］

用高度定向的热解石墨（ＨＯＰＧ）

首次获得了独立存在的高质量的石墨烯，

并对其电学性能进行了系统表征。研究发现石墨烯存在双极性电场效应，具有极大的载流子浓度、超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹性输运等特性。这些优异的性能引起了物理学、

材料学、化学等科研领域的广泛关注，掀起了继富勒烯和碳纳米管后的又一次碳材料研究热潮。石墨烯的发现者Ｇｅｉｍ教授和Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ

博士也因此被授予２０１０年度诺贝尔物理学奖。

２００７年Ｓｃｈｅｄｉｎ等［３］

首先发现，

用石墨烯制备的传感器可以检测到单个分子在石墨烯表面的吸附和解吸附行为，这

引起了科学界的极大关注。研究者们随后研究了微机械剥离、化学剥离和化学气相沉积等方法制备的石墨烯的气敏特性，发现本征石墨烯只对ＮＯ２、ＮＨ３等少数气体有较高的灵敏度。于是理论研究者纷纷开始了本征、掺杂和缺陷石墨烯与气体吸附作用机制的研究，发现具有一定缺陷或掺杂的石墨烯对特定的气体有较强的吸附。在理论研究的指导下，最近研究者对石墨烯进行了有目的地掺杂和功能化研究以提

高石墨烯对特定气体的选择性和灵敏度。本文着重介绍本征石墨烯的气敏特性、对气体分子的吸附作用，以及功能化石墨烯对氢气的响应特性。

１　石墨烯的结构和特性

石墨烯是由ｓｐ２

杂化的碳原子紧密排列构成的二维六角

结构的单层石墨，每个碳原子通过σ键与相邻的３个碳原子连接，这些强Ｃ－Ｃ键的网状结构使石墨烯片层具有优异的结构刚性。每个碳原子都有１个未成键的电子，

这些电子在与原子平面垂直的方向上形成的离域π轨道上自由运动，赋予

石墨烯良好的导电性［４］。石墨烯ｓｐ２

杂化的碳碳键的长度为０．１４２ｎｍ［５］，单原子层的理论厚度为０．３４ｎｍ［６］

。图１为石墨

烯的能带结构和布里渊区图［７］

，价带和导带在费米能级的６

个顶点上相交，由此表明石墨烯是一种零带隙的物质，具有

金属性。石墨烯中电子的典型传导速率为８×１０５　

ｍ·ｓ

－１，接近光在真空中传播速度的１／４００

，比一般半导体的电子传导速率大得多［８］

。除此之外，当石墨烯被裁剪为宽度小于

１０ｎｍ的纳米条带时会产生一定的带隙，

这种半导体石墨烯在晶体管中有较大的潜在应用价值［

９］

。目前已证实的石墨烯的优异的物理性质包括：室温下高

的电子迁移率（１５０００ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１）［２，１０］

；优异的热导率（约５０００Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）［１１］

，是Ｃｕ热导率的１０倍多；超高的力学性能，破坏强度为４２Ｎ／ｍ，杨氏模量为１．０ＴＰａ［１

２］

；超大的比表面积，理论值为２６３０ｍ

２·ｇ－１［１３］；几乎完全透明，光透·

９３·石墨烯气敏性能的研究进展／张焕林等