CN117030802A - 一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法 - Google Patents
一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117030802A CN117030802A CN202310992748.3A CN202310992748A CN117030802A CN 117030802 A CN117030802 A CN 117030802A CN 202310992748 A CN202310992748 A CN 202310992748A CN 117030802 A CN117030802 A CN 117030802A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene oxide
- ammonia
- sensor based
- reduced graphene
- thermally reduced
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 140
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 93
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 93
- 230000009467 reduction Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 29
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 claims 1
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 19
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 10
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 9
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 28
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- RZVXOCDCIIFGGH-UHFFFAOYSA-N chromium gold Chemical compound [Cr].[Au] RZVXOCDCIIFGGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 231100000021 irritant Toxicity 0.000 description 1
- 239000002085 irritant Substances 0.000 description 1
- 230000007794 irritation Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 210000003734 kidney Anatomy 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 210000001533 respiratory mucosa Anatomy 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
- G01N27/123—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature
- G01N27/124—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature varying the temperature, e.g. in a cyclic manner
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
Abstract
本发明属于半导体气体传感器技术领域，公开了一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，氨气传感器包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；其中气敏传感层为热还原氧化石墨烯薄膜；其制备过程为先将氧化石墨烯溶液旋涂于衬底上；然后通过图形化微纳工艺使得氧化石墨烯溶液在沟道区域内形成氧化石墨烯薄膜；最后将衬底上的氧化石墨烯薄膜进行热还原。本发明能够得到响应时间短、检测下限低的氨气传感器，其具有优异的长期稳定性和选择性，且制备工艺简便，能够在工业、环境监测和医疗等领域开展实际应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体气体传感器技术领域，具体的说，是涉及一种用于检测氨气的气体传感器及其制备方法。
背景技术
氨气(NH3)是一种无色、具有刺激性的有毒易燃气体，是一种常见的空气污染物，其极易对人的眼睛和呼吸道黏膜造成刺激和伤害。在环境监测、汽车行业、化学工业、医疗健康等领域，氨气的检测尤为关键：在雾霾治理中，需要检测大气中的氨气浓度以减少二次颗粒物的形成；汽车行业中，空调***需要检测车内氨气浓度以优化空气质量，排气***也需要检测并控制氨气喷射量以对尾气进行选择性催化还原；化肥厂和制冷行业中使用的几乎都是纯氨气，必须实时监测氨气是否泄漏以保证工人的生命安全；医学领域中，通过非入侵式检测人类呼出气体中的氨气浓度，以实现其与肾脏病变的关联诊断。因此，高性能氨气传感器不可或缺，同时对于氨气传感器的小型化与轻量化、能耗、响应度、灵敏度、耐久性等性能都提出了更高的要求。目前，广为研究的氨气气敏材料主要是金属氧化物半导体，但它们基本上都需要在高温(150-300℃)下工作。而由于对器件寿命的影响，高温不仅会缩短传感器的使用寿命，而且高温的产生本身会大幅增加器件的功耗和成本，同时由于在易燃易爆类气体环境下的使用限制，使其应用范围受到了很大的限制。
石墨烯因其优异的室温导电性、极大的比表面积(2630m2g-1)、低电子噪声等优点，近年来作为气敏材料备受关注，为降低半导体型气体传感器的工作温度提供了非常大的可能性。由于其狄拉克锥形的能带结构，即使气体吸附后与石墨烯有少量的电荷转移，也会使得电导出现显著变化。且石墨烯作为一种二维材料，与现代的平面微纳加工工艺兼容，可以制备出高密度的气体传感器阵列，通过单次测量即可达到多次测量的结果，大大提高了传感效率，节省了测试时间。并且阵列型器件受不确定因素的影响较小，具有良好的稳定性。外延石墨烯是在SiC衬底上经1000℃以上的高温条件获得的，对于生长设备和衬底的要求都很高，这无疑增加了石墨烯的制备成本，且其缺陷含量较低，难以提供大量供气体分子吸附的高能位点。化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯在制备传感器件应用的过程中，难以避免转移过程中引入的杂质污染，这些杂质会严重影响到石墨烯的电子学性质，并覆盖石墨烯表面的气体吸附位点，在传感器应用中仍有弊端。
还原氧化石墨烯(RGO)与本征石墨烯相比，由于本身含有的缺陷、含氧官能基团等可以作为气体分子吸附的高能位点，是一种极具潜力的气敏材料；且其原料经济、制备简易、可大规模生产。由于RGO表面搭载了多种含氧基团，为通过调节表面基团的种类和数量提高其敏感性能提供了极大的可能性。同时RGO在溶剂中可以分散，便于在其表面进行功能化修饰。
现有的基于RGO材料的氨气传感器，存在响应和恢复时间长、长期稳定性差、检测下限较高的缺点。一些通过贵金属纳米颗粒修饰RGO作为气敏材料的氨气传感器，也存在修饰过程复杂费时、难以在室温下实现高响应的缺点。
发明内容
本发明旨在解决现阶段氨气传感器存在的共性问题，提供一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，能够得到响应时间短、检测下限低的氨气传感器，其具有优异的长期稳定性和选择性，且制备工艺简便，能够在工业、环境监测和医疗等领域开展实际应用。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；所述气敏传感层为热还原氧化石墨烯薄膜；所述气敏传感层与所述电极层采用直接叠放接触的方式相连接；所述电极层通过金属引线连接至测试装置，所述测试装置通过测量电阻信号实现对氨气浓度的检测。
进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜经部分还原后表面仍含有含氧官能团。
进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜平整分布，且表面无褶皱。
进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜为非团聚形态。
进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1-10纳米。
优选地，所述电极层由光刻设备先进行图案化，随后利用薄膜沉积设备沉积金属电极制备。
其中，光刻设备可以采用激光直写仪；薄膜沉积设备可以采用电子束蒸镀设备；金属电极包括具有一定间隔的源、漏电极及栅极，材料可以为Cr/Au。
优选地，所述绝缘介质层为氧化铝。
优选地，所述衬底支撑层为带氧化层的硅片。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，包括如下制备过程：
(1)将氧化石墨烯溶液旋涂于衬底上；
(2)通过图形化微纳工艺使得所述氧化石墨烯溶液在沟道区域内形成氧化石墨烯薄膜；
(3)将所述衬底上的所述氧化石墨烯薄膜进行热还原。
进一步地，步骤(1)中所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mg/ml。
进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜的长度在3-60微米，因此步骤(2)中所述沟道区域宽度为5-50微米，使其与材料尺寸适配。
进一步地，步骤(3)中所述加热还原的温度为100-350℃，加热时间为1-2小时；气体环境为氩气、氮气、真空中的一种。
其中，为了创造高度隔绝氧气的环境，以防止热还原过程中碳原子流失造成的缺陷，需要对加热环境进行真空预抽和氩气冲洗过程。
本发明的有益效果是：
本发明以热还原氧化石墨烯为气敏材料，其在衬底上平整分布，表面无褶皱，非团聚的形态有利于气体分子的扩散。氨气传感过程中充分利用RGO中残留含氧官能团作为氨气分子的吸附位点。与传统的金属氧化物气体传感器相比，无需额外加热器，功耗更低，且便于在易燃易爆气体环境中使用。此氨气传感器具有很短的响应时间、较低的检测下限和良好的长期稳定性。
本发明的氨气传感器采用旋涂氧化石墨烯稀溶液的方式将传感膜附在衬底上，操作简单，加工性好，有利于在不同形状的电极上进行加工，解决了传统气体传感器需要高温烧结，加工复杂的问题。
本发明在氨气吸附后，并不需要高温加热、紫外线照射等任何额外的处理方法，传感器电阻即可恢复至初始值，恢复周期短，有利于氨气传感器在实际应用中的的长期重复性工作。
本发明制备工艺简便，石墨烯洁净免受光刻胶的污染。产品可靠性强，易实现工业化生产，可实现工农业、生产生活等领域中对氨气的快速可靠监测。
附图说明
图1为本发明提供的基于热还原氧化石墨烯的场效应管结构氨气传感器的结构示意图；
图2是实施例1所制得的基于热还原氧化石墨烯的场效应管结构氨气传感器对于100ppm氨气的重复性响应曲线；
图3是实施例1所制得的基于热还原氧化石墨烯的场效应管结构氨气传感器对于100ppm氨气的单循环动态响应曲线；
图4是实施例2所制得的基于热还原氧化石墨烯的场效应管结构氨气传感器对5-200ppm氨气的动态响应曲线；
图5是实施例2所制得的基于热还原氧化石墨烯的场效应管结构氨气传感器的响应度-氨气浓度线性拟合曲线；
图6是实施例2所制得的基于热还原氧化石墨烯的场效应管结构氨气传感器的长期稳定性曲线。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其结构示意图如图1所示，包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；制备主要包括如下步骤：
(1)使用改进的Hummers法制备氧化石墨烯溶液；
(2)使用光刻技术在带有285nm厚度氧化层的硅片上构造(栅极)电极图案。然后使用电子束蒸镀方法在硅基底上沉积铬金电极层，其中铬厚度为10nm，金厚度为20nm。然后通过剥离工艺制备带有栅电极的硅片；
(3)使用原子层沉积技术在生长25nm厚度的氧化铝；
(4)使用光刻套刻技术构造叉指式的源漏电极图案，沟道宽度为10μm；然后使用电子束蒸镀方法沉积铬金电极层，其中铬厚度为10nm，金厚度为20nm。然后通过剥离工艺制备源漏电极。
(5)使用光刻套刻技术定义图形化的沟道区域，沟道总区域宽210μm、长300μm；
(6)将氧化石墨烯溶液旋涂在电极沟道间：配置0.3mg/ml的氧化石墨烯溶液，将氧化石墨烯溶液旋涂在基底上；然后通过剥离工艺得到沟道区域内附有氧化石墨烯的传感器件；
(7)对氧化石墨烯进行热还原：将上述器件放置在实验室自主设计搭建的退火炉中，在氩气气氛下250℃下热还原2小时。
(8)使用银胶将器件电极与铝线相连，铝线的另一端通过银胶连接在测试底座的引脚上，得到完整的热还原氧化石墨烯基场效应管式氨气传感器件。
实施例2
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(7)中的热还原温度为100℃。
实施例3
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(7)中的热还原温度为350℃。
实施例4
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(7)中的热还原时间为1小时。
实施例5
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(7)中的热还原时间为1.5小时。
实施例6
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(6)中的氧化石墨烯溶液浓度为0.1mg/ml。
实施例7
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(6)中的氧化石墨烯溶液浓度为1mg/ml。
实施例8
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(4)中的沟道宽度为5μm。
实施例9
采用实施例1的方法制备一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其区别仅在于：步骤(4)中的沟道宽度为50μm。
图2和图3分别为实施例1所制得传感器对于100ppm氨气的重复性响应曲线和单循环动态响应曲线，可以看出通入氨气后传感器电阻快速下降，通入氮气冲洗后电阻逐渐恢复。这是因为氨气分子作为电子供体将电子转移到N型RGO中，增加了其多子(电子)浓度，导致其电阻下降。且响应时间短至11s，传感器具有良好的恢复性和可逆性。同样地，对于以上实施例2-9进行传感测试，来比较不同制备工艺对热还原氧化石墨烯基氨气传感器的性能影响。
(一)不同热还原温度对热还原氧化石墨烯基氨气传感器在100ppm氨气下的性能影响，参见表1。
表1
从表1可知，经100、250、350℃热还原两小时得到的热还原氧化石墨烯基氨气传感器对100ppm氨气均表现出明显响应，响应时间都在40s以内。其中实施例1得到的传感的响应时间为11秒，实施例2得到的传感器的响应度为1.97％。对于实施例2进行了不同浓度氨气的传感测试，结果如图4所示，根据图5的响应度-氨气浓度拟合结果，得到传感器的灵敏度为0.02％/ppm，进而根据公式(ai和a分别为选取的响应度基线数据点和这些点的平均值，N为数据点的个数)，选取通入氨气前传感器响应度基线的10个数据点(数值分别为-0.00664、0.001659、0、0.001659、0、0.005806、0.004147、0.01327、0.000829、-0.00746)，求得其噪音水平RMSnoise为0.005919，进而根据公式(检测下限＝3×RMSnoise/灵敏度)得到此传感器的理论检测下限低至0.9ppm。也对于实施例2的长期稳定性进行了监测，结果如图6所示，在大气中自然放置50、79、89天后对100ppm氨气的响应度分别保持在初始响应度的92.45％、81.62％、74.23％，响应时间为原来的123％、138％、117％。这表明随着时间的推移传感性能衰减趋势较弱，此传感器具有较好的长期稳定性。
(二)不同热还原时间对热还原氧化石墨烯基氨气传感器在100ppm氨气下的性能影响，参见表2。
表2
从表2可知，经250℃热还原1、1.5、2小时得到的热还原氧化石墨烯基氨气传感器对100ppm氨气的响应度在2％左右，响应时间在40s以内。
(三)不同氧化石墨烯溶液浓度对热还原氧化石墨烯基氨气传感器在100ppm氨气下的性能影响，参见表3。
表3
从表3可知，由浓度为0.1、0.3、1mg/ml氧化石墨烯溶液制备得到的热还原氧化石墨烯基氨气传感器对100ppm氨气都具有明显响应，响应度在1 2％之间，响应时间在25以内。
(四)不同沟道宽度对热还原氧化石墨烯基氨气传感器在100ppm氨气下的性能影响，参见表4。
表4
从表4可知，沟道宽度对热还原氧化石墨烯基氨气传感器的性能影响不明显。
综上，经过本发明所提供方法制备的热还原氧化石墨烯基氨气传感器具有很短的响应时间、较低的检测下限和良好的长期稳定性。无需加热或紫外辅助，即可实现常温下对氨气的快速、可重复性检测。且制备过程操作简便，原料成本低，有望实现工业化生产。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；其特征在于，所述气敏传感层为热还原氧化石墨烯薄膜；所述气敏传感层与所述电极层采用直接叠放接触的方式相连接；所述电极层连接至测试装置，所述测试装置通过测量电阻信号实现对氨气浓度的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜经部分还原后表面仍含有含氧官能团。
3.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜平整分布，且表面无褶皱。
4.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜为非团聚形态。
5.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1-10纳米。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下制备过程：
(1)将氧化石墨烯溶液旋涂于衬底上；
(2)通过图形化微纳工艺使得所述氧化石墨烯溶液在沟道区域内形成氧化石墨烯薄膜；
(3)将所述衬底上的所述氧化石墨烯薄膜进行热还原。
7.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mg/ml。
8.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述沟道区域宽度为5-50微米。
9.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述加热还原的温度为100-350℃，加热时间为1-2小时；气体环境为氩气、氮气、真空中的一种。
10.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)之前对加热环境进行真空预抽和氩气冲洗。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310992748.3A CN117030802A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310992748.3A CN117030802A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117030802A true CN117030802A (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=88622054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310992748.3A Pending CN117030802A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117030802A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103616413A (zh) * | 2013-12-12 | 2014-03-05 | 苏州大学 | 一种基于还原氧化石墨烯的气敏传感器及其制备方法 |
| CN106290489A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-01-04 | 苏州大学 | 一种多孔石墨烯气敏传感器及其制备方法 |
| CN110044972A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-23 | 厦门理工学院 | 一种石墨烯基气敏传感器及其制备方法 |
| CN211453446U (zh) * | 2019-08-28 | 2020-09-08 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 基于石墨烯的集成化气敏传感单元 |
-
2023
- 2023-08-08 CN CN202310992748.3A patent/CN117030802A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103616413A (zh) * | 2013-12-12 | 2014-03-05 | 苏州大学 | 一种基于还原氧化石墨烯的气敏传感器及其制备方法 |
| CN106290489A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-01-04 | 苏州大学 | 一种多孔石墨烯气敏传感器及其制备方法 |
| CN110044972A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-23 | 厦门理工学院 | 一种石墨烯基气敏传感器及其制备方法 |
| CN211453446U (zh) * | 2019-08-28 | 2020-09-08 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 基于石墨烯的集成化气敏传感单元 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| XUE XIAO ET AL: "Thermal reduced graphene oxide-based gas sensor for rapid detection of ammonia at room temperature", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》, 4 July 2023 (2023-07-04), pages 11016 * |
| 侯若男等: "热还原温度对氧化石墨烯电阻-温度特性的影响", 《人工晶体学报》, 31 October 2014 (2014-10-31) * |
| 李闯;李伟伟;蔡理;谢丹;刘保军;向兰;杨晓阔;董丹娜;刘嘉豪;陈亚博;: "基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO_2气体传感器", 物理学报, no. 05, 8 March 2020 (2020-03-08) * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Salehi et al. | Highly sensitive carbon nanotubes–SnO2 nanocomposite sensor for acetone detection in diabetes mellitus breath | |
| Hsueh et al. | A transparent ZnO nanowire MEMS gas sensor prepared by an ITO micro-heater | |
| Yi et al. | Stretchable, ultrasensitive, and low-temperature NO2 sensors based on MoS2@ rGO nanocomposites | |
| Zhang et al. | Development of microstructure In/Pd-doped SnO2 sensor for low-level CO detection | |
| Van Hieu et al. | Highly sensitive thin film NH3 gas sensor operating at room temperature based on SnO2/MWCNTs composite | |
| Rai et al. | Synthesis of flower-like ZnO microstructures for gas sensor applications | |
| Santra et al. | ZnO nanowires grown on SOI CMOS substrate for ethanol sensing | |
| Wang et al. | Synthesis and enhanced H2S gas sensing properties of α-MoO3/CuO p–n junction nanocomposite | |
| US10247689B2 (en) | Low concentration ammonia nanosensor | |
| KR100779090B1 (ko) | 아연 산화물을 이용하는 가스 감지기 및 그 제조 방법 | |
| Chen et al. | A nanoelectronic nose: a hybrid nanowire/carbon nanotube sensor array with integrated micromachined hotplates for sensitive gas discrimination | |
| Liu et al. | Carbon nanotube-based field-effect transistor-type sensor with a sensing gate for ppb-level formaldehyde detection | |
| Song et al. | Downsizing gas sensors based on semiconducting metal oxide: Effects of electrodes on gas sensing properties | |
| Hu et al. | Batch fabrication of formaldehyde sensors based on LaFeO3 thin film with ppb-level detection limit | |
| CN111307876B (zh) | 一种用于检测二氧化氮的气体传感器及其制备方法 | |
| Wang et al. | Methanol sensing properties of honeycomb-like SnO2 grown on silicon nanoporous pillar array | |
| Moon et al. | Glancing angle deposited WO3 nanostructures for enhanced sensitivity and selectivity to NO2 in gas mixture | |
| CN108508062A (zh) | 一种基于MoO3纳米敏感材料的三乙胺传感器、制备方法及其应用 | |
| CN115096975B (zh) | 具有延栅结构的碳基fet型气体传感器及其制备方法 | |
| Xu et al. | Enhanced ethanol sensing performance using Co3O4–ZnSnO3 arrays prepared on alumina substrates | |
| Sun et al. | Wafer-scale floating-gate field effect transistor sensor built on carbon nanotubes film for Ppb-level NO2 detection | |
| Chou et al. | Oxygen sensor utilizing ultraviolet irradiation assisted ZnO nanorods under low operation temperature | |
| Choi et al. | Tin oxide nanosheet thin film with bridge type structure for gas sensing | |
| Song et al. | Biotemplate-directed synthesis of Cr2O3 mesoporous monotubes for enhanced sensing to trace H2S gas | |
| CN110208323B (zh) | 用于检测二氧化氮的有机无机复合材料及气敏传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |