综述石墨烯传感器

石墨烯传感器

I介绍

石墨烯是一种二维结构的纳米材料，每个碳原子以杂化的方式形成六边形结构。这是一种稳定的材料，有良好的机械拉伸性与电子属性。基于石墨烯的纳米结构在传感器领域有极前景。这是由于每个原子与感应环境相接触，且石墨烯的电学属性可以通过这种接触而改变。石墨烯有着独特的物理属性，从而使得在很多传感领域有应用。如光传感器，电磁传感器，应力与质量传感器以及化学与电化学传感器。

最初，高质量单晶石墨烯是通过机械剥离技术获取。该技术仍旧在实验室精度的实验中提供最好质量的单晶石墨烯。通过这种方法，在独立形式下样品的迁移率可达，尽管在表面捕获的迁移率在

。

II石墨烯制备方法

A机械剥离法

机械剥离法即为用物理的方法破坏石墨层与层之间的结构，从而得到石墨稀。物理意义上的石墨晶体，其实是由大量的石墨层通过德瓦尔斯力连接在一起，层与层之间的作用力巨大。从外界施加物理作用力破坏石墨层之间的作用力。这种方法首先高粘性胶从大块石墨样品上剥离出薄层，然后进一步剥离以减小薄层的厚度，直到可以被表面俘获。如今使用这种方法可以获得毫米级别厚度的薄层。图1是300nm表面获取的单层石墨烯薄层。

图1.在300nm表面机械剥离出的单层石墨烯层通过拉曼光谱中单层石墨烯的特征峰可以快速判定获得的薄层中所石墨烯的层数。图2.是单层石墨烯、双层石墨烯以及数层石墨烯薄层的拉曼特征谱线。由图可以看出单层石墨烯的2D峰很尖锐，辐值较大，而G峰较低。通过2D峰

和G峰的强度比可以判断出层数。还可以通过每个石墨烯层的量子化光吸收。

图2.基板上单层、双层与数层石墨烯的拉曼光谱图

B 化学剥离法

化学剥离法最简单的方式就是使用合适的溶剂例如N-甲基-吡咯烷酮。在液体中使用声波降解法使得溶剂进入石墨层中，从而生成单层，多层的石墨烯，所得的单层石墨烯比例约为1wt%~12wt%。

还有有一些其他的剥墨的尝试，使用了不同的溶剂，取得了一些成功。如层控制剥离法。使用互卤化物嵌入物，随后溶解于表面活化剂中，可以生产出优秀的双层、三层石墨烯，有独特的属性。然后可以使用密度梯度新发获取单层石墨烯，单层的比例可达80%。

还可以使用GO的亲水性进行层剥离，产生悬浊液，然后使用水合肼减少石墨烯上的GO。此步骤后得到的石墨烯不够纯净。

目前研究的方向在于如何控制石墨烯层数与减少其上的缺陷。

C化学气相沉积法（CVD）

CVD方法可以以廉价、便捷的方式生产高质量的单层与数层石墨烯。现如今已经在CVD方法上有许多成功的例子，这些方法使用转移金属基板，如Ni，Ru，Ir和Cu。尤其是在铜表面的生长得到的石墨烯具有良好的器件特性，如低温下载流子迁移率可达，光的透射率>90%。

由于铜的价格昂贵，因此目前的CVD方法有许多已转向廉价的金属，如多晶的镍。同时，在铜基板上的研究转向研究大面积生长与传导的最适宜条件。在镍箔上生长出的石墨烯的迁移率可达，且具有半整数量子霍尔效应。如今在镍基板上生长面临的问题是如何控制数十微米的邻近区域层的规整性。

D 碳化物分解

该方法是利用碳化物如SiC表层的热分解在Si基板上来生产石墨烯。首先对在850℃下清洗20min，同时使用Si焊剂防止Si基板在高温下分解。然后在超高真空与高退火温度下，SiC表面会经历多次重组，直到达到石墨化温度（Si表面为1350℃，C表面为1150℃）时表面会形成石墨烯层。此时，前两层会被C钝化，随后的层才会显示出石墨烯的属性，并从基板上脱落下来。图3.是（001）上生长的石墨烯的原子力显微镜图像，获得的石墨烯平均厚度为1.2层。

图3.（001）表面石墨烯的图像（退火环境为Ar，压强

=900mbar，温度=1650℃）

E 合成路线

如果视石墨烯为多环芳香烃，那么最大合成包括222个碳原子或37个苯环单元，以3nm直径形成的正六边形结构，以聚亚苯基为前驱物，它通过氧化环烷烃使之平面化。这些结构表现出良好的自组装趋势，并可以作为潜在的合成更大石墨烯的前驱物。8-12nm长，2-3nm宽的石墨烯纳米带，也可以通过分子前驱物的表面协助耦合形成的线性聚亚苯基与随后的环氢化作用来合成。

F 碳纳米管（CNT）分解

碳纳米管被认为是卷起的石墨烯阵列，如今的石墨烯纳米带（GNR）可以

通过解开CNT获取。将CNT悬浮于浓硫酸中并使用500wt%的高锰酸钾在22℃下处理1h，随后在55-70℃下再处理1h。第二种方式是对部分嵌入高聚物薄膜中的CNT进行离子刻蚀，从而将CNT转化为GNR。

III石墨烯的相关属性

最早在1946年就提出了石墨烯的电子结构。石墨烯的导带呈锥形分布，在布里渊区呈对称分布，具有高度对称的K和K’对称点，如图4.。在这些点附近，能量随动量线性变化，遵循线性色散关系。此时的电子呈现准相对论粒子行为，且可以使用狄拉克方程描述。石墨烯中电子速度约为，是光速的1/300。

在双层石墨烯中，两层之间的AB型堆积形成了碳原子的反对称性，从而出现两个亚晶格。如果这种反对称性被破坏，那么价带与导带之间会在狄拉克点附近形成能隙（如图5.），这可以通过施加横向电场实现。可以通过双栅配置对电子带隙与载流子掺杂浓度进行独立调节。

图4. 单层石墨烯能带结构图，在狄拉克点附近有线性色散关系

图5.（A）单层（B）对称双层（C）不对称双层石墨烯的电子结构