基于石墨烯异质结的传感器制备与性能研究

作     者：李民亮 

作者单位：浙江农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈亮

授予年度：2024年

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

主      题：二维材料 氧化石墨烯 异质结 传感器 

摘      要：柔性传感器具有灵敏度高、贴合性好、轻薄等优点,在电子皮肤、可穿戴设备领域得到了广泛的应用。石墨烯作为典型的柔性二维材料,且具有优异的电学、光学和机械性能,是制备柔性传感器的热门材质。然而,石墨烯的零带隙结构对器件性能有很大的局限性,通常采用掺杂改变其带隙结构改善各种石墨烯基传感器的性能。但掺杂工艺及石墨烯制备方法的复杂度及高成本限制了石墨烯基传感器的批量制备及工业化应用。可见,通过简单工艺开发结构简单、性能优异的石墨烯传感器具有很好的应用前景。 本文通过掺杂及氧化还原方式制备了基于石墨烯的异质结,并基于此开发了兼具整流和压阻特性的柔性传感器。在此基础上通过不同掺杂制备方法得到基于石墨烯异质结的不同传感器,对其压阻、光电和磁控方面的性能及应用进行研究,主要为以下部分: (1)通过滴涂法在聚酰亚胺(Polyimide,PI)基底上制备了掺入还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,r GO)粉末的氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)薄膜。均匀分散的r GO粉末在自组装过程中形成浓度梯度,导致薄膜具有异质结,基于此制备的传感器具有良好的整流特性和压阻特性。在压强阈值以内,该传感器在(-0.86,0.86)所对应的电流值计算得到整流比超过60,同时有一定的电阻变化率;超过压强阈值,整流特性消失,呈现纯电阻性,传感器的电阻变化率高达99.9%。传感器具有良好的时间响应性能,响应时间和恢复时间分别为72 ms和26 ms,在按压5500次后显示了良好的稳定性。该传感器对低频交流信号(约1 Hz)的整流效果优于商用二极管IN5399,对微小压力及声音振动导致的气流压强变化也有明显的响应信号。 (2)通过喷涂-还原-喷涂法在PI基底上制备基于GO和r GO的异质结,并研究了其光电性能。基于此异质结的传感器具有良好的整流特性,在3V偏压下整流比可达630。在405 nm和630 nm的激光照射下,仍具有较好的整流特性,正反向电流具有一定程度的增大,在零偏压下具有微安级的光电流。最后通过喷涂法在PI基底上制备了GO以及磁性GO(Magnetic graphene oxide,M-GO)的异质结构,并以此实现磁控传感器的制备。M-GO是将铁离子掺杂到GO悬浮液中得到。在磁场作用下,所制备的磁控传感器具有更大的正向导通电压,且其电阻也出现明显的增大,约为无磁场作用下的近三倍。此外,通过改变磁场方向得到的磁控响应不同,随着磁感应强度的进一步变化,I-V曲线所体现的磁控响应结果也随之改变。 本文研究提供了一种简易制备石墨烯异质结的方法,可制备基于石墨烯异质结的柔性压阻、光电及磁控传感器,均具有良好的整流特性。此外,压阻传感器具有可对声音振动引起的压力变化进行分辨的优异压阻特性;光电传感器在零偏压下具有微安级的光电流;磁控传感器在磁场影响下电阻增大,电流减小。此研究为开发兼具整流特性及压阻、光电等其他性能的柔性传感器提供了一种新的可能。