直写打印石墨烯柔性器件的电学性能研究

作     者：薛堂月 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘文涛;宋延林

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：石墨烯 柔性器件 直写打印 传感 多分析 

摘      要：柔性传感器具有监测灵敏度高、柔韧性好、重量轻、易集成和可穿戴的优点,使其在个人身体健康监测领域具有广泛的应用前景。二维纳米材料石墨烯具有优异的导热、导电和机械性能,并且可加工为石墨烯带、石墨烯纤维、石墨烯薄膜、石墨烯纸和石墨烯气凝胶等多种形式。因此,基于石墨烯的柔性传感器件有望成为下一代可穿戴个人活动和身体健康状态监测器件。本文从氧化石墨烯墨水的制备出发,采用直写打印技术,分别制备图案化石墨烯柔性电路、图案化石墨烯应变传感器和石墨烯电化学多分析传感器件,并对其性能进行一系列研究。主要开展的研究工作如下:利用改进Hummers法制得氧化石墨烯分散液,经扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱分析(FT-IR)等测试表明合成了片径20-40μm,厚度0.98 nm且有较多含氧官能团的氧化石墨烯。利用溶剂蒸发法将制备的氧化石墨烯分散液浓缩成浓度为20 mg/mL的墨水。通过直写打印技术,将其在玻璃、硅片等刚性基底和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性基底上打印,并采用氢碘酸还原打印的图案,测得还原后图案的电导率为4.21×104S/m。此外,对还原前后的氧化石墨烯进行拉曼光谱(Raman)、X射线衍射仪(XRD)和光电子能谱(XPS)等表征,结果表明还原后含氧官能团明显减少,图案化还原氧化石墨烯电学性能已经恢复。在图案化还原氧化石墨烯电路上连接LED灯珠,施加3 V电压后,LED灯被点亮,表明制得的石墨烯柔性电路具备较好的电学性能。利用直接干燥法和冷冻干燥法分别制备层状堆积的石墨烯带和致密多孔的石墨烯气凝胶,并研究直线、波浪线石墨烯带和直线、波浪线、蛇形线型石墨烯气凝胶在压缩、弯曲、拉伸、扭转、错动、循环往复拉伸等过程中的电阻相对变化率。结果表明,石墨烯带电学信号相对稳定,电阻几乎不发生变化,而石墨烯气凝胶电阻变化率较大,且蛇形线石墨烯气凝胶电学响应最为灵敏。基于石墨烯带和石墨烯气凝胶在不同微观结构和宏观图案下电学灵敏性的显著差异,将波浪线石墨烯带和蛇形线石墨烯气凝胶结合制备图案化柔性石墨烯传感器,通过多通道电子数据记录仪进行多位点识别和人体腕部运动监测。结果表明,传感器对每个位点和腕部关节的运动均有不同的响应。再利用数据统计分析软件Minitab 16和SYSTAT 12将不同动作的阻值变化进行主成分分析(PCA)、分层聚类分析(HCA)和线性判别分析(LDA),实现多位点的区分识别和腕部运动的多分析传感监测。基于不同微观结构的石墨烯材料电学敏感性的差异,再结合石墨烯基材料的电化学传感特性,对不同微观结构石墨烯材料进行电化学性能研究。基于层状堆积的石墨烯薄膜和致密多孔的石墨烯气凝胶不同的导电性和吸附性能,分别制备石墨烯薄膜和石墨烯气凝胶电极,且以铂片为对电极和Ag/AgCl为参比电极组成标准的三电极体系进行电化学性能研究。采用差分脉冲伏安法和循环伏安法对阳离子、阴离子、氨基酸、胺类和糖类等物质进行电化学检测分析,再利用PCA、HCA和LDA等数据分析方法对其进行多元数据分析。结果表明两种微观结构电极在相互配合作用下可将每一种物质区分并有效地识别分类。此外,该器件还实现不同浓度梯度的阴阳离子和七种不同类型混合物的区分辨别。这种不同组装方式的石墨烯电极的引入,为人体复杂的体液分析提供了有效的途径。