石墨烯气体传感器高电荷态离子辐照改性研究

作     者：马鹏程 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：曾健

授予年度：2022年

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

主      题：石墨烯气体传感器 高电荷态离子 辐照注量 气体响应提升 拉曼 

摘      要：气体传感器通过对各种有毒有害气体的响应,在工业生产和日常生活中发挥了不可替代的重要作用。传统金属氧化物气体传感器有较快的响应速度和较低的成本,但是金属氧化物气体传感器的选择性较差,较高的工作温度造成了一定的能源消耗,并且极易成为易燃易爆气体的着火点。因此,开发新型高效的室温气敏元件显得尤为重要。以石墨烯为代表的二维材料的发现为各类电子器件的发展提供了新的可能。石墨烯具极高的比表面积和电子迁移率,理论上可实现单分子探测,在室温下对多种气体有良好响应,满足传感器在低能耗、更高灵敏度与集成度、更小尺寸及柔性器件等方面的发展需求。学者们通过理论计算发现与完整晶格相比,具有缺陷的石墨烯对气体分子的吸附能力有明显提升。现有的一些文献显示,通过低能重离子与快重离子的辐照,石墨烯气体传感器的响应得到了一定的提升。但是目前相关的报道较少,机理尚不清楚,缺乏辐照条件与气体响应提升之间的相关数据。此外,高电荷态离子是一种独特的低能离子,可产生与快重离子相比拟的辐照缺陷。然而,现阶段缺乏相关的研究。基于以上的研究现状,本工作采用高电荷态离子对石墨烯气体传感器进行了辐照改性研究。利用CVD法制备的石墨烯与叉指电极制备了单层石墨烯气体传感器,利用高电荷态离子(Xe、Xe)对传感器进行辐照,用拉曼光谱仪对辐照前后的石墨烯进行表征。所有的样品均在辐照前后用单浓度循环与多浓度气敏测试。实验结果表明:(1)辐照前石墨烯的拉曼光谱中未观察到D峰,同时G峰与2D峰的峰强比为2:1。光谱图表明证明了在拉曼光谱仪的探测极限下,单层石墨烯中存在完美的晶格。传感器对单浓度循环和多浓度循环NO均有一定的响应,吸附饱和的现象也没有出现,但是响应值处于较低水平。辐照后石墨烯的拉曼光谱中D峰开始出现。在辐照注量达到1×10 ions/cm时,D峰和G峰的峰强比达到了最高值。D峰和G峰的半高峰宽的上升趋势表明了非晶化的开始。在1×10 ions/cm至1×10 ions/cm的注量下,缺陷由sp杂化相关的缺陷类型开始向孔洞类型的缺陷转变。当辐照注量超过1×10 ions/cm时,石墨烯变得完全非晶化。(2)在单浓度循环气体和多浓度循环气体测试中,辐照后气体传感器对气体的响应值变高,高电荷态离子辐照引起的气体响应提升倍数也处于较高水平。1×10 ions/cm辐照注量下的石墨烯气体传感器对1 ppm NO的响应值为12.17%,提升倍数为27倍;5×10 ions/cm辐照注量下的石墨烯气体传感器对50 ppb NO的响应值为6.25%,提升倍数为12倍。这些数据优于一些前人的结果。经过对比辐照前后的气体响应,发现辐照引起的气体响应提升是辐照缺陷提供了更多的气体吸附位点。通过探究气体响应提升与辐照注量的关系,发现最适宜的辐照注量范围是1×10 ions/cm到7×10 ions/cm,辐照缺陷引起吸附位点数量增加与电学性能退化是决定最适宜辐照注量的两个关键因素。同时,对于不同浓度的气体,所需的最适宜辐照注量也有所不同。这项工作不仅仅证明了高电荷态离子辐照在改性气体传感器方面的优势,同时也为提升二维材料气体传感器的响应度和低浓度探测性能提供了新的研究思路。