CN104569052B - 一种制备氧化石墨烯传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备氧化石墨烯传感器的方法，具体步骤如下：(1)将氧化石墨烯分散于溶剂中，形成稳定的氧化石墨烯分散液；(2)对金属纳米线材料进行表面功能化处理；(3)取步骤(2)中表面功能化处理后的金属纳米线，加入到步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中，混合均匀，形成氧化石墨烯和金属纳米线混合液；(4)将步骤(3)中的混合液在30℃‑200℃下搅拌反应1‑300分钟后，形成氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构，所述金属纳米线之间不形成连续电流通路；(5)将步骤(4)所述的氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构作为传感器的敏感材料，制备得到氧化石墨烯传感器。有利于提高器件的敏感特性。

Description

一种制备氧化石墨烯传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种制备氧化石墨烯传感器的方法，尤其涉及一种使用金属纳米线和氧化石墨烯复合材料制备传感器件的方法。属于先进半导体材料制备的技术领域。
背景技术
自从石墨烯被发现以后，人们发现了其越来越多的优异的性能。比如高强度，高导电性，高传感灵敏度等等。作为石墨烯的重要衍生物，氧化石墨烯也受到了越来越多的重视。目前的研究已经表明，氧化石墨烯具有优良的传感特性，其对水蒸气，氨气，二氧化氮，硫化氢等多种气体存在敏感响应。这其中尤其以对水蒸气的响应最为灵敏，其灵敏度比传统水蒸气传感(或者湿度传感器)高两个数量级。氧化石墨烯对水蒸气的高敏感特性来源于其表面丰富的含氧基团。这些含氧基团与水分子的较强的相互作用是氧化石墨烯高性能湿度传感器的基础。另外，经过改性的氧化石墨烯材料也有可能产生对其他气体的高灵敏度响应。比如经过适当还原后的氧化石墨烯对二氧化氮有非常高的检测能力。
虽然氧化石墨烯具有优异的传感性能，但是使用氧化石墨烯材料构建的传统双电极结构的传感器件具有漏电较大，低气体浓度情况下电容太小，感测洄滞大等缺点。这些缺点限制了基于氧化石墨烯的传感器的制造和应用。要解决这些问题，需要改进器件的结构或者构建新的器件结构。比如，有研究者研究了上下电极结构和平面电极结构的传感器件的响应特性，发现前者具有较好的响应特性。但是上下电极结构的传感器件需要使用复杂的工艺制备透气的上电极结构。也有研究者研究了使用纳米线作为上电极的传感器。由于纳米线上电极具有较好的透气特性，因此可以显著提高器件的性能。综合目前的研究状况可以发现，虽然有一些研究者提出了较多的方法来提升传感器的传感特性，但是仍然有很多问题需要进一步解决。基于此研究背景，设计和制备新的器件结构是一种可取的，显著提高器件性能的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种制备氧化石墨烯传感器的方法，使用氧化石墨烯和金属纳米线为原料，将两者混合形成氧化石墨烯包裹金属纳米线的双层结构，并制备得到石墨烯传感器，提高器件的敏感特性，且有利于快速器件响应和减小器件的洄滞。
本发明的技术方案是：一种制备氧化石墨烯传感器的方法，具体步骤如下：
(1)将氧化石墨烯分散于溶剂中，形成稳定的氧化石墨烯分散液；
(2)对金属纳米线材料进行表面功能化处理，使金属纳米线可稳定的分散于步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中并与氧化石墨烯亲和；
(3)取步骤(2)中表面功能化处理后的金属纳米线，加入到步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中，混合均匀，形成氧化石墨烯和金属纳米线混合液；
(4)将步骤(3)中的混合液在30℃-200℃下搅拌反应1-300分钟后，形成带有氧化石墨烯包裹金属纳米线结构的混合液，所述混合液可制备得到非导体薄膜，也即所述金属纳米线之间不形成连续电流通路；
(5)将步骤(4)所述的带有氧化石墨烯包裹金属纳米线结构的混合液作为传感器的敏感材料，制备得到氧化石墨烯传感器。
进一步的，步骤(5)中所述的氧化石墨烯传感器制备完成后，采用后退火工艺处理，所述后退火工艺温度为100℃-600℃，退火时间为5秒-300分钟。增加金属纳米线对衬底的粘附能力以及纳米线之间的粘附能力。
进一步的，步骤(5)中所述氧化石墨烯传感器包括：底部的绝缘衬底，覆盖于绝缘衬底表面的电极，覆盖于电极表面的绝缘层，和覆盖于绝缘层表面的敏感材料，即：带有氧化石墨烯包裹金属纳米线结构的混合液。
进一步的，所述包裹有金属纳米线的氧化石墨烯，使用喷涂法，旋涂法或者LB膜法，覆盖于绝缘层表面。
进一步的，所述绝缘衬底材料若是绝缘材料，则直接使用；若不是绝缘材料，则在其表面制备绝缘隔离层后再覆盖电极。
进一步的，所述绝缘层的材料是氧化硅、氮化硅、钛酸钡或者钛酸锶钡。
进一步的，步骤(1)中所述氧化石墨烯的片层层数为1-20层，片层尺寸小于50微米；金属纳米线直径小于1微米，纳米线长度小于50微米。
进一步的，步骤(1)中所述溶剂为水、乙醇、苯、甲苯、环己烷、二甲基亚砜、环戊酮、环己酮、氯仿中的一种或者两种以上的结合。
进一步的，步骤(4)中所述氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构，包括：氧化石墨烯包裹纳米线中间，氧化石墨烯包裹纳米线头部和中间，和氧化石墨烯片层整体包裹金属纳米线。
进一步的，步骤(5)中所述电极为平面叉指结构。
有益效果：使用本发明具有适合大面积制备，工艺简单，成本较低，适用于多种材料等优点。
1.当两根覆盖有氧化石墨烯的金属纳米线相互接触时，接触的界面处为金属-氧化石墨烯-金属的夹层结构。其中敏感材料仍然为氧化石墨烯。由于常规的平面电极型传感器一般采用叉指电极的形式，而叉指电极之间的电场分布会影响器件的灵敏度。实际上叉指电极结构中的大部分电场都没有穿过敏感材料，造成了这一结构的敏感型降低。而当敏感材料中加入金属纳米线后，叉指电极之间的电场分布会产生改变。纳米线会使电场线更加趋向于分布于敏感材料内部。因此这一结构有利于提高器件的敏感特性。
2.由于敏感区域存在于两根纳米线接触的地方，金属纳米线导体的间距小，当纳米线有较多的接触点时整体的电容较大，可以方便测量。
3.由于敏感区域存在于两根纳米线接触的地方，其接触面积较小，有利于快速器件响应和减小器件的洄滞。
4.金属纳米线膜层结构为透气结构，这种结构有利于气体的扩散，有利于提高器件的性能。
5.使用本方法可以进行大面积制备，工艺相对简单。
附图说明
图1：使用氧化石墨烯和金属纳米线制备一种包裹结构的原理图。其中，1：金属纳米线；2：氧化石墨烯片；3：包裹好氧化石墨烯的金属纳米线。金属纳米线的被包裹结构可能有多重情况，比如I：氧化石墨烯包裹纳米线中间；II氧化石墨烯包裹纳米线头部和中间；III氧化石墨烯片层整体包裹金属纳米线。
图2：一种典型的器件结构图。其中，4：包裹好氧化石墨烯的金属纳米线在器件表面形成的敏感层；5：绝缘层；6：电极；7：绝缘衬底。
图3：器件A-A′的截面图。其中，4：包裹好氧化石墨烯的金属纳米线在器件表面形成的敏感层；5：绝缘层；6：电极；7：绝缘衬底。
图4：绝缘衬底材料不是绝缘材料，则在其表面制备绝缘隔离层后再覆盖电极的器件结构图。其中，4：包裹好氧化石墨烯的金属纳米线在器件表面形成的敏感层；5：绝缘层；6：电极；7：绝缘衬底；8：绝缘隔离层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种制备氧化石墨烯传感器的方法，具体步骤如下：
(1)将0.2mg片层层数为10层、片层尺寸为45微米的氧化石墨烯分散于10ml的水中，形成稳定的氧化石墨烯分散液；其中：水可以替换为水、乙醇、苯、甲苯、环己烷、二甲基亚砜、环戊酮、环己酮、氯仿中的一种或者两种以上的结合，对本实验结果无影响。实际制备时，氧化石墨烯的片层层数在1-20层均可，片层尺寸小于50微米。
(2)对直径为0.8微米、长度为45微米的金纳米线材料进行表面功能化处理，处理方法如下：在金纳米线分散液中加入巯基乙酸，进行充分搅拌，使干燥后的金纳米线可稳定的分散于步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中并与氧化石墨烯亲和。实际选用时，金属纳米线直径小于1微米，纳米线长度小于50微米均可。
其中：金纳米线可以替换为银纳米线、铜纳米线、铂纳米线、钯纳米线或者锡纳米线，对于银纳米线，在纳米线分散液体中加入聚乙烯醇，50摄氏度左右充分搅拌即可。其他纳米线可以类似处理。每种纳米线需要使用不同的功能化试剂，可以根据需要选定。
(3)取0.5mg步骤(2)中表面功能化处理后的金属纳米线，加入到步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中，混合均匀，形成氧化石墨烯和金属纳米线混合液，所述混合液可制备得到非导体薄膜；
(4)将步骤(3)中的混合液在30℃下搅拌反应100分钟后，形成氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构；其中：混合液在30℃下搅拌反应300分钟、在200℃下搅拌反应1分钟、或者在100℃下搅拌反应80分钟均可形成氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构。所述氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构，包括：氧化石墨烯包裹纳米线中间，氧化石墨烯包裹纳米线头部和中间，和氧化石墨烯片层整体包裹金属纳米线；如图1所示。
(5)将步骤(4)所述的氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构作为传感器的敏感材料，制备得到氧化石墨烯传感器。具体的，如图2、3所示，氧化石墨烯传感器包括：底部的绝缘衬底7，覆盖于绝缘衬底表面的平面叉指结构的电极6，覆盖于电极表面的绝缘层5，和覆盖于绝缘层表面的包裹有金属纳米线的氧化石墨烯4。包裹有金属纳米线的氧化石墨烯，使用喷涂法，旋涂法或者LB膜法，覆盖于绝缘层表面。
其中：所述绝缘衬底材料若是绝缘材料，则直接使用；若不是绝缘材料，则在其表面制备绝缘隔离层8后再覆盖电极(如图4所示)。
所述绝缘层5的材料是氧化硅、氮化硅、钛酸钡或者钛酸锶钡均可。
作为优选的实施方式：在步骤(5)中所述的氧化石墨烯传感器制备完成后，采用后退火工艺处理，所述后退火工艺在80℃下退火300分钟、在100℃下退火30分钟、或者在600℃下退火10秒钟均可。均能增加金属纳米线对衬底的粘附能力以及纳米线之间的粘附能力。
当两根覆盖有氧化石墨烯的金属纳米线相互接触时，接触的界面处为金属-氧化石墨烯-金属的夹层结构。其中敏感材料仍然为氧化石墨烯。由于常规的平面电极型传感器一般采用叉指电极的形式，而叉指电极之间的电场分布会影响器件的灵敏度。实际上叉指电极结构中的大部分电场都没有穿过敏感材料，造成了这一结构的敏感型降低。而当敏感材料中加入金属纳米线后，叉指电极之间的电场分布会产生改变。纳米线会使电场线更加趋向于分布于敏感材料内部。因此这一结构有利于提高器件的敏感特性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将氧化石墨烯分散于溶剂中，形成稳定的氧化石墨烯分散液；
(2)对金属纳米线材料进行表面功能化处理，使金属纳米线可稳定的分散于步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中并与氧化石墨烯亲和；
(3)取步骤(2)中表面功能化处理后的金属纳米线，加入到步骤(1)所述的氧化石墨烯分散液中，混合均匀，形成氧化石墨烯和金属纳米线混合液；
(4)将步骤(3)中的混合液在30℃-200℃下搅拌反应1-300分钟后，形成带有氧化石墨烯包裹金属纳米线结构的混合液，所述混合液可制备得到非导体薄膜,也即金属纳米线之间不形成连续电流通路；
(5)将步骤(4)所述的带有氧化石墨烯包裹金属纳米线结构的混合液作为传感器的敏感材料，制备得到氧化石墨烯传感器。
2.根据权利要求1所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：步骤(5)中所述的氧化石墨烯传感器制备完成后，采用后退火工艺处理，所述后退火工艺温度为100℃-600℃，退火时间为5秒-300分钟。
3.根据权利要求1所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：步骤(5)中所述氧化石墨烯传感器包括：底部的绝缘衬底，覆盖于绝缘衬底表面的电极，覆盖于电极表面的绝缘层，和覆盖于绝缘层表面的敏感材料，即：带有氧化石墨烯包裹金属纳米线结构的混合液。
4.根据权利要求3所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：所述包裹有金属纳米线的氧化石墨烯，使用喷涂法，旋涂法或者LB膜法，覆盖于绝缘层表面。
5.根据权利要求3所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：所述绝缘衬底材料若是绝缘材料，则直接使用；若不是绝缘材料，则在其表面制备绝缘隔离层后再覆盖电极。
6.根据权利要求3所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：所述绝缘层的材料是氧化硅、氮化硅、钛酸钡或者钛酸锶钡。
7.根据权利要求1所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：步骤(1)中所述氧化石墨烯的片层层数为1-20层，片层尺寸小于50微米；金属纳米线直径小于1微米，纳米线长度小于50微米。
8.根据权利要求1所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：步骤(1)中所述溶剂为水、乙醇、苯、甲苯、环己烷、二甲基亚砜、环戊酮、环己酮、氯仿中的一种或者两种以上的结合。
9.根据权利要求1所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：步骤(4)中所述氧化石墨烯包裹金属纳米线的结构，包括：氧化石墨烯包裹纳米线中间，氧化石墨烯包裹纳米线头部和中间，和氧化石墨烯片层整体包裹金属纳米线。
10.根据权利要求3所述的一种制备氧化石墨烯传感器的方法，其特征在于：步骤(5)中所述电极为平面叉指结构。
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