氧化石墨烯的濕敏特性及其在微納濕度傳感器上的應用.pdf

1、濕度做為一個重要的物理量，在人類日常生活和工農業(yè)生產中扮演著非常重要的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，人們對高性能濕度傳感器的需求不斷增加，這為濕度傳感器行業(yè)的發(fā)展帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。近些年，新型納米材料被廣泛報道應用于濕度傳感器領域，正逐漸成為濕度敏感材料的主要發(fā)展方向及研究熱點。本論文圍繞一種新興的二維碳質納米材料-氧化石墨烯(GO)的濕敏特性開展研究，提出了幾種基于GO敏感薄膜的濕度傳感器，并探討了環(huán)境濕度對GO電學特性的影響。

2、論文主要工作如下:
　　(1)運用交流復阻抗法和直流I-V測試兩種方法研究了環(huán)境濕度因素對GO薄膜電學特性的影響及其機制，并探討了GO薄膜在阻抗式濕度傳感器上的應用。1）采用交流復阻抗法研究了GO薄膜的濕度敏感機制并建立相應的等效電路模型，通過分析不同濕度條件下的GO薄膜的Cole-Cole圖和Bode圖，可以發(fā)現在低濕環(huán)境中，GO薄膜的導電機制為材料固有的電子電導和極化，由于GO薄膜固有的電子電導非常微弱，GO材料的極化對復阻抗

3、貢獻占主導地位，GO薄膜表現出較大的阻抗。而在高濕環(huán)境中，離子電導及水分子參與的極化對GO薄膜導電起主要貢獻，GO薄膜表現出弱的導電性;進一步探討了GO薄膜在阻抗式濕度傳感器上的應用，研究結果表明GO薄膜構建的阻抗式濕度傳感器在低頻激勵下(50 Hz)具有較好的濕度響應靈敏度，此外這種類型的傳感器還具有濕滯小，響應和恢復迅速等特性。2）研究了不同環(huán)境濕度條件下GO薄膜的直流I-V特性，結果表明加載電壓幅度影響GO薄膜的I-V特性曲線特征

4、，在低加載電壓區(qū)(-2 V～2 V)，GO薄膜的I-V特性曲線在各個濕度點均表現為近似線性的直線， GO薄膜電阻隨著濕度的增加而下降，且薄膜電阻與掃描電壓大小無關，而在高加載電壓區(qū)(-4 V～-2 V以及2 V～4V)，GO薄膜的I-V特性曲線特征不僅與外界環(huán)境濕度水平有關，還與加載在GO上的電壓大小有關，高幅度加載電壓導致GO薄膜電阻下降，推測可能的機理為GO薄膜在強電場作用下發(fā)生部分還原反應，GO的部分碳原子由sp3雜化態(tài)轉向sp2

5、雜化態(tài)，從而使得GO薄膜的電導率得以提高。加載電壓幅度的增大以及外界濕度水平的提高都會使得GO薄膜的還原程度提高，導致GO薄膜的電傳導能力得到大幅度提高。上述研究工作表明，對于溶液法制備的GO薄膜電子器件，在應用過程中需考慮環(huán)境濕度和工作電壓因素的影響。
　　(2)由于GO薄膜具有的較強親水性、大比表面積及較高機械模量等優(yōu)異特性，提出了一種兼具高靈敏度和高穩(wěn)定度的GO薄膜修飾石英晶體微天平(QCM)濕度傳感器。QCM作為基本換能元

6、件，GO做為濕度敏感層沉積在QCM電極上。首先采用振蕩電路法研究了所制備的QCM濕度傳感器的濕度敏感特性，結果表明GO薄膜修飾的QCM濕度傳感器呈現出較高的濕度響應靈敏度，且在寬濕度范圍內(6.4～93.5％ RH)具有較好的線性，以及快速的響應及恢復特性，低的濕滯特性及較好的長期穩(wěn)定性;此外，研究了GO薄膜厚度對傳感器濕度敏感性能的影響，發(fā)現較厚的GO薄膜修飾的QCM濕度傳感器具有更高的靈敏度響應，但其線性度略有下降。還采用阻抗電路法

7、研究了GO修飾的QCM濕度傳感器在濕度環(huán)境中的諧振行為，并與傳統聚合物材料修飾的QCM濕度傳感器進行了對比分析。研究發(fā)現，GO薄膜修飾的QCM濕度傳感器在高濕環(huán)境下的品質因數(Q)大大高于聚合物材料修飾的QCM濕度傳感器，因而GO材料比較適合于構建具有高穩(wěn)定度的QCM濕度傳感器。
　　(3)基于GO薄膜吸附水分子發(fā)生溶脹這一特性，提出了一種易于集成化的GO-硅雙層結構MEMS濕度傳感器。采用硅微橋做為換能元件，GO材料做為濕敏層涂

8、覆于硅微橋，形成GO-硅的雙層結構。基于GO薄膜的MEMS濕度傳感器的換能原理如下:GO吸附/脫附水分子產生膨脹變形，GO薄膜的膨脹變形作用于硅微橋使其產生相應的機械形變，集成在硅微橋內部的壓阻惠斯通電橋感知這種機械形變并產生電壓輸出信號。研究發(fā)現，基于GO薄膜的MEMS濕度傳感器在較寬濕度范圍內(10～98％ RH)呈較好的濕度線性響應，并具有快速的響應及恢復特性，以及較好的重復性和低濕滯等特性。除此，研究了GO涂層厚度對傳感器濕度響