邱海峰,趙丹,騰建強(qiáng),賈唐浩,雷紹充,王常,李昕,劉衛(wèi)華,王小力

(1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,830011,烏魯木齊;2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,710049,西安;3.廣東順德西安交通大學(xué)研究院,528300,廣東佛山)

在環(huán)境、汽車、化學(xué)工業(yè)和醫(yī)療診斷領(lǐng)域,人們?cè)絹?lái)越關(guān)注有害氣體的檢測(cè)[1]。在廢氣排放中,有害氣體占很大比例,能對(duì)人體和動(dòng)物的上呼吸道黏膜造成很大傷害,輕度吸入會(huì)引起炎癥、呼吸困難等,過(guò)多呼吸可能危及生命;并且對(duì)皮膚和眼結(jié)膜造成嚴(yán)重灼傷,甚至失明。人體持續(xù)吸入濃度過(guò)高的有害氣體如NH3、H2S等,在短時(shí)間內(nèi)即可中毒甚至危及生命[2]。因此,研究高性能的有害氣體傳感器是非常有必要的,用它來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的有害氣體泄露量有利于保衛(wèi)生命安全和健康。

有害氣體傳感器主要有電化學(xué)類氣體傳感器,紅外氣體傳感器和電參量氣體傳感器。電化學(xué)類氣體傳感器主要是靈敏度高、選擇性好,但電解液的蒸發(fā)或污染會(huì)導(dǎo)致傳感器信號(hào)衰減,壽命縮短[3]。紅外氣體傳感器的輸出都是微小的模擬信號(hào),一般用戶不可以直接使用。電參量氣體傳感器成本低,可批量生產(chǎn),通過(guò)其電學(xué)信號(hào)變化便可測(cè)得氣體濃度,其中電阻型半導(dǎo)體類氣體傳感器可根據(jù)敏感材料設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的氣體傳感器[4]。但是,目前很多半導(dǎo)體類氣體傳感器仍存在很多缺陷,如選擇性不好,靈敏度也并不突出,工作壽命短,最麻煩之處在于必須在高溫下工作且預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng),功耗大難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè),因此,提高傳感器性能的方法之一便是制備性能更好的敏感表面覆膜[5]。氧化石墨烯是二維柔性材料,具有高缺陷結(jié)構(gòu)易于形成特定“選擇性基團(tuán)”,可選擇性識(shí)別不同組分的氣體[6-7]。Yu小組在氧化石墨烯上引入ZnO摻雜的SnO2納米線實(shí)現(xiàn)了二組分混合識(shí)別,以丁酮為背景識(shí)別了乙醇[8]。Wang等人將二乙炔裝載于氧化石墨烯表面實(shí)現(xiàn)了二組分混合識(shí)別,以氯仿為背景識(shí)別了甲醇[9]。本文課題組采用單寧酸修飾氧化石墨烯實(shí)現(xiàn)了3組分混合識(shí)別,以乙醇、丙酮為背景識(shí)別了氨氣,靈敏度為1 000×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[10]。制備氧化石墨烯的方法有Hummers法、Brodie法和Standenmaier法等,這些方法均屬于化學(xué)方法,而化學(xué)方法制備氧化石墨烯則無(wú)法與集成電路兼容[11]。為此,本文提出對(duì)CVD工藝獲得的石墨烯進(jìn)行紫外光與臭氧法處理(UVO),實(shí)現(xiàn)原位制備CVD氧化石墨烯薄膜,該工藝與集成電路制造工藝兼容。以CVD氧化石墨烯為氣體敏感膜構(gòu)建氣敏傳感器,以期獲得具有低功耗和高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器。

1 氣體傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(a)設(shè)置蔭罩 (b)磁控濺射Ti粘附層

(c)磁控濺射Cu電極 (d)去掉蔭罩

(e)轉(zhuǎn)移CVD石墨烯 (f)進(jìn)行UVO法處理圖1 CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的制作工藝流程

本文提出的CVD氧化石墨烯傳感器屬于電阻型半導(dǎo)體傳感器,其工作原理為:當(dāng)被測(cè)氣體分子吸附在CVD氧化石墨烯薄膜上,會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移,因此會(huì)改變傳感器的阻值,根據(jù)傳感器的阻值變化可以測(cè)出對(duì)應(yīng)氣體濃度[12]。CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的制作工藝流程圖如圖1所示。首先,以玻璃作為傳感器襯底,通過(guò)設(shè)計(jì)的掩模對(duì)該襯底進(jìn)行磁控濺射得到鈦銅(Ti Cu)合金電極圖形;接著,使用自行研究的濕法轉(zhuǎn)移方法[4]把石墨烯轉(zhuǎn)移至Ti Cu電極上,并使用丙酮去除石墨烯表面光刻膠;最后,對(duì)二端器件表面轉(zhuǎn)移的石墨烯進(jìn)行UVO法處理,得到CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器。本文制備CVD石墨烯所采用的方法為L(zhǎng)PCVD法,在制備過(guò)程中以Cu箔為襯底,甲烷為碳源。該CVD石墨烯薄膜的制備工作報(bào)告見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。將CVD石墨烯傳感器進(jìn)行UVO法不同時(shí)長(zhǎng)的處理,得到一系列CVD氧化石墨烯敏感膜傳感器。采用圖2所示的測(cè)試裝置對(duì)本文CVD氧化石墨烯敏感膜氣體傳感器進(jìn)行氣體測(cè)試。氣敏測(cè)試裝置由混合氣體測(cè)試腔和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,測(cè)試腔可以實(shí)現(xiàn)多種混合氣體的測(cè)試,數(shù)據(jù)采集部分主要是由吉時(shí)利Keithley2000電阻測(cè)試儀和相應(yīng)接口線路組成,可將氣敏傳感器的感應(yīng)阻值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。數(shù)據(jù)采集是利用LAB-VIEW軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄。

圖2 氣敏傳感器測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖

2 UVO法處理與分析

在Cu襯底上生長(zhǎng)獲得毫米級(jí)單晶CVD石墨烯的掃描電子顯微鏡(SEM)圖已經(jīng)在文獻(xiàn)[13]中報(bào)道過(guò),在此不再贅述。采用UVO法對(duì)CVD石墨烯進(jìn)行處理,獲得原位制備的CVD氧化石墨烯,并通過(guò)拉曼光譜其進(jìn)行了對(duì)比分析。本實(shí)驗(yàn)中使用的UVO法儀器型號(hào)為Model No.42-220(美國(guó)Jelight公司制造),該儀器通過(guò)時(shí)間參數(shù)來(lái)控制紫外光照和臭氧轟擊的工作過(guò)程;使用波長(zhǎng)為532 nm的拉曼光譜儀對(duì)所有樣品進(jìn)行表征,光譜儀(麥森控制香港有限公司制造)焦長(zhǎng)為800 mm,分辨率為0.35～0.65 cm-1。

圖3 不同UVO法時(shí)長(zhǎng)處理的CVD氧化石墨烯的 拉曼光譜

采用UVO法,在不同時(shí)長(zhǎng)時(shí)對(duì)CVD石墨烯進(jìn)行處理,時(shí)長(zhǎng)分別為1、3、5、7、9、11 min。圖3為采用UVO法在不同時(shí)長(zhǎng)下處理CVD氧化石墨烯的拉曼光譜。通常石墨烯拉曼光譜中,有3個(gè)峰值,依次為D峰(1 350 cm-1)、G峰(1 580 cm-1)和2D峰(2 700 cm-1)。其中2D峰為石墨烯的特征峰,D峰為缺陷峰。2D峰與G峰的比值可估算判斷石墨烯的層數(shù)。其中處理時(shí)長(zhǎng)為0 min的樣品為CVD石墨烯,2D峰與G峰的比值大于1,且D峰不可見(jiàn),表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的單層石墨烯拉曼特征譜。隨著處理時(shí)長(zhǎng)的增加,2D峰減弱,同時(shí)D峰加強(qiáng),表明UVO法處理帶來(lái)的含氧基團(tuán)的出現(xiàn),為CVD石墨烯引入了缺陷。

3 氣敏測(cè)試及分析

3.1 阻值特性

將不同UVO法處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器進(jìn)行阻值變化測(cè)試結(jié)果如圖4所示,其中阻值變化倍率是指CVD石墨烯薄膜在UVO法處理前后的阻值之比RUVO/R。通過(guò)阻值變化倍率與UVO處理時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系來(lái)體現(xiàn)CVD石墨烯薄膜的氧化程度。圖4a為CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的實(shí)物圖,以一角硬幣為參照物給出了該傳感器的對(duì)比尺寸。

(a)實(shí)物圖

(b)阻值變化倍率圖4 CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器 阻值變化倍率與時(shí)間的關(guān)系

在UVO法處理之前,對(duì)CVD氧化石墨烯薄膜的阻值進(jìn)行測(cè)試,得出其阻值范圍為1～4 kΩ。由圖4b可見(jiàn):隨著UVO法處理時(shí)間的增加,阻值明顯呈上升趨勢(shì),其中經(jīng)UVO法處理1 min后的樣品阻值變化倍數(shù)小于1,即阻值下降,這是因?yàn)閁VO法處理具有清潔作用,通過(guò)1 min UVO法處理后,清潔了石墨烯表面殘留的光刻膠,從而降低了CVD氧化石墨烯薄膜的阻值[14];在UVO法處理時(shí)間大于等于3 min時(shí),阻值變化倍數(shù)大于1,即阻值增加,由此可以推斷,CVD氧化石墨烯薄膜表面的石墨烯開(kāi)始氧化,隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng),氧化程度更大;在UVO法處理時(shí)間大于9 min后,CVD氧化石墨烯薄膜樣品阻值變化倍數(shù)急劇增大,造成這種結(jié)果的原因可能如下:盡管石墨烯初始導(dǎo)電性能非常好,但隨著UVO法處理時(shí)間的增加,石墨烯經(jīng)過(guò)UVO法中O3分子的轟擊,表面不僅缺陷增加,而且破損裂紋程度更為嚴(yán)重[14],所以UVO法處理時(shí)間超過(guò)9 min后其阻值急劇增大了2個(gè)數(shù)量級(jí),而當(dāng)UVO法處理11 min時(shí),大多數(shù)樣品的阻值增加了3個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更大,有些則趨于無(wú)窮大而完全斷裂。

3.2 氣敏測(cè)試

對(duì)CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器進(jìn)行NH3氣敏測(cè)試,以期獲取UVO法處理的最佳時(shí)間。圖5分別為UVO法處理1、3、5、7、9、11 min后的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器隨著NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)wNH3變化的氣敏響應(yīng)曲線。響應(yīng)靈敏度S定義為[15]

%

(1)

式中:R1為注入氣體后在規(guī)定時(shí)間(20～30 min)內(nèi)響應(yīng)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的傳感器阻值。Rini為注入氣體之前該傳感器的初始阻值。

圖5 不同時(shí)長(zhǎng)UVO法處理后的CVD氧化石墨烯薄膜 氣敏傳感器的靈敏度與氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

隨著UVO法處理時(shí)長(zhǎng)的增加,石墨烯表面的含氧官能團(tuán)(C—O、CO、O—CO等)比例也在不斷增加[10],表明UVO處理后有利于提高CVD氧化石墨烯的含氧官能團(tuán),繼而可提高傳感器氣敏性能。從圖3拉曼光譜可見(jiàn),UVO法處理7 min和5 min的樣品具有最高的缺陷峰,有助于提高氣敏特性。從圖4的阻值變化倍率分析,7 min和5 min的樣品的倍率分別為18.33和5.03,可見(jiàn)7 min樣品具有更好的阻值變化倍率。從圖5所示的響應(yīng)度關(guān)系中可以看出,UVO法處理7 min后,氣敏傳感器的響應(yīng)最大,而3、9和11 min的處理使得響應(yīng)反而比UVO法處理1 min的響應(yīng)還低。原因分析如下:在圖4中,由UVO法處理1 min后的樣品阻值反而降低,這是由于處理1 min的氣體傳感器的石墨烯未變性或者變性程度很低,而處理3 min的氣體傳感器,因UVO法對(duì)原始CVD石墨烯破壞后,所加載在該石墨烯表面的官能團(tuán)數(shù)量不夠多,所以未能達(dá)到處理1 min后的傳感器的氣敏性能;而處理9 min和11 min的氣敏性能明顯沒(méi)有處理1 min的樣品好,可能是由于UVO法處理9 min以后,嚴(yán)重破壞了石墨烯的結(jié)構(gòu)、增加了更大的缺陷[14],所以破壞了其氣敏性能,導(dǎo)致氣敏響應(yīng)急劇下降。在本研究中,UVO法處理9 min以后,傳感器的氣敏性能明顯降低,表明隨著UVO法處理時(shí)間的增加,石墨烯表面不僅只是含氧官能團(tuán)的增加,其表面缺陷也在不斷增大[14],因此,UVO法處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)影響CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的氣敏性能。綜上分析可知,CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的UVO法優(yōu)化處理時(shí)間為7 min時(shí),該傳感器能達(dá)到最好佳氣敏性能。

3.3 響應(yīng)時(shí)間

不同時(shí)長(zhǎng)UVO法處理的傳感器的響應(yīng)時(shí)間[16]tRES定義為

tRES=(t1-t0)×90%

(2)

式中:t0為開(kāi)始注氣時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn);t1為注入氣體后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳感器阻值上升到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。各傳感器時(shí)間特性曲線如圖6(響應(yīng)時(shí)間)和圖7(恢復(fù)時(shí)間)所示。從圖6可知,UVO法處理7 min的傳感器,它的響應(yīng)時(shí)間在16～19 min之間,其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)于其他傳感器來(lái)說(shuō)是最短的,因此,也證明了經(jīng)過(guò)UVO法7 min處理后,傳感器的時(shí)間響應(yīng)速度更快。

圖6 不同時(shí)長(zhǎng)UVO法處理后的CVD氧化石墨烯薄膜氣 敏傳感器的響應(yīng)時(shí)間tRES與氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

3.4 恢復(fù)時(shí)間特性

圖7所示為每個(gè)傳感器在不同氣體濃度下的恢復(fù)時(shí)間特性,恢復(fù)時(shí)間tREC定義[16]為

tREC=(t2-t1)×90%

(3)

式中:t2為打開(kāi)腔室放氣后,傳感器阻值下降到注氣前的阻值時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。從圖7可知,UVO法處理7 min的傳感器,它的恢復(fù)時(shí)間在不同NH3濃度下均較快,恢復(fù)時(shí)間在2～9 min之間。綜合靈敏度特性,該傳感器的恢復(fù)時(shí)間相對(duì)于其他傳感器來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的。因此,相比之下,UVO法處理7 min的傳感器恢復(fù)性能良好。

圖7 不同時(shí)長(zhǎng)UVO法處理后的CVD氧化石墨烯薄膜氣 敏傳感器的恢復(fù)時(shí)間tREC與氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

分析以上結(jié)果,UVO法處理7 min后,傳感器不僅對(duì)NH3的氣敏響應(yīng)有了顯著提升,而且響應(yīng)速度更快,恢復(fù)性能也很好。因此,經(jīng)UVO法處理7 min,CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的性能達(dá)到最佳。

3.5 穩(wěn)定性和選擇性

(a)NH3氣敏吸附 (b)丙酮?dú)饷粑?/p>

對(duì)性能最好的傳感器進(jìn)行了穩(wěn)定性和選擇性測(cè)試。以丙酮、無(wú)水乙醇為對(duì)比氣體,研究UVO法處理7 min的傳感器的選擇性。圖8所示為CVD氧化石墨烯薄膜分別對(duì)NH3、丙酮和乙醇的氣敏吸附示意圖。由圖8a可見(jiàn),NH3相比于CVD氧化石墨烯呈N型,當(dāng)NH3分子吸附于CVD氧化石墨烯表面時(shí)將釋放一個(gè)電子,同時(shí)從薄膜中獲得一個(gè)質(zhì)子,所釋放的電子與薄膜上的空穴結(jié)合,導(dǎo)致薄膜載流子流失電阻增大;由圖8b可見(jiàn),O-和H2O-等干擾負(fù)離子和CH3COCH3同時(shí)被吸附于CVD氧化石墨烯表面,CH3COCH3相比于薄膜呈P型,從薄膜中獲取1個(gè)電子同時(shí)失去1個(gè)質(zhì)子;由圖8c可見(jiàn),C2H5OH與CH3COCH3的性能相似,相比于CVD氧化石墨烯薄膜也呈P型。

(c)乙醇?xì)饷粑綀D8 CVD氧化石墨烯薄膜氣敏吸附原理示意圖 (圖中h+為空穴)

3.6 響應(yīng)靈敏度

圖9所示為UVO法處理7 min的傳感器對(duì)丙酮、無(wú)水乙醇和NH3的響應(yīng)靈敏度特性散點(diǎn)圖。從圖中可觀察,傳感器隨丙酮濃度的增大,響應(yīng)值有略微的增加,然后又略微降低,變化規(guī)律不明顯,且最大響應(yīng)小于3%,這種原因可能如下:石墨烯在紫外光照下對(duì)丙酮分子的吸附能力很強(qiáng),無(wú)紫外光照射時(shí)對(duì)丙酮吸附力很低[17];單層石墨烯為P型,當(dāng)有紫外光照的情況下,有大量電子空穴對(duì)的產(chǎn)生,使石墨烯表面吸附更多的O和H2O致使其從P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型,而丙酮?dú)怏w被吸附在石墨烯表面時(shí)充當(dāng)弱電受體,因此轉(zhuǎn)型后的石墨烯對(duì)丙酮的吸附力很強(qiáng)[17];當(dāng)無(wú)紫外光照時(shí),石墨烯與丙酮分子均為P型,所以對(duì)丙酮的吸附力很低。

圖9 CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器分別對(duì)丙酮、 無(wú)水乙醇和NH3的選擇性響應(yīng)特性

圖9中,隨丙酮濃度的增大,傳感器響應(yīng)先略微增加的原因可能是丙酮在揮發(fā)過(guò)程中,O和H2O等干擾負(fù)離子濃度大于丙酮分子濃度,吸附在傳感器薄膜表面使其阻值略微增加,當(dāng)丙酮濃度高于干擾負(fù)離子濃度時(shí),吸附在薄膜表面后增加了薄膜的空穴濃度,則降低了薄膜阻值,同時(shí)也降低了該傳感器的靈敏度,示意圖如圖8b所示。因此,該薄膜氣敏傳感器在無(wú)紫外光照情況下對(duì)丙酮的響應(yīng)特性不明顯。相比較而言,UVO法處理7 min的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器對(duì)于氨氣的靈敏度更高(最高可達(dá)19%),從圖中更能直觀的看出各氣體在相同濃度下,該傳感器對(duì)氨氣的響應(yīng)度比其他2種氣體要高的多。

3.7 測(cè)試分析

從圖5、6、7可觀察其時(shí)間響應(yīng)速度快、恢復(fù)性能高、穩(wěn)定性更好。因此,經(jīng)UVO法處理7 min的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器對(duì)NH3具有選擇性。另外,隨著乙醇濃度的增加,該傳感器的響應(yīng)值呈下降趨勢(shì),這種下降趨勢(shì)的原因是:無(wú)水乙醇相對(duì)于CVD生長(zhǎng)的P型石墨烯呈P型,為弱電受體,即當(dāng)乙醇分子吸附在石墨烯表面,不僅會(huì)與石墨烯表面的電子結(jié)合減少電子濃度,還會(huì)增加空穴載流子的濃度,因此在注入無(wú)水乙醇的瞬間,石墨烯阻值會(huì)下降,無(wú)水乙醇濃度越大,石墨烯阻值下降更明顯,隨之響應(yīng)也會(huì)隨乙醇濃度的增大而減小,示意圖如圖8c所示。但從圖9可得,該傳感器對(duì)無(wú)水乙醇最大的響應(yīng)也在3%左右,這可能是因?yàn)楸∧け砻娴目昭舛冗h(yuǎn)大于電子濃度,當(dāng)注入濃度過(guò)高的乙醇時(shí),CVD氧化石墨烯薄膜上的負(fù)電荷與乙醇分子所釋放的質(zhì)子結(jié)合瞬間達(dá)到飽和;而且這與該傳感器對(duì)氨氣的氣敏響應(yīng)情況剛好相反,所以對(duì)乙醇的響應(yīng)幾乎可以忽略,因此,相比于無(wú)水乙醇,UVO法7 min處理后的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器對(duì)NH3的選擇性很好。

進(jìn)一步測(cè)試研究UVO法處理7 min的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的穩(wěn)定性[18]。測(cè)試了該傳感器的重復(fù)性和保持率(指?jìng)鞲衅鞣胖靡欢螘r(shí)間后所測(cè)的響應(yīng)值占初始響應(yīng)值的百分比)。表1為該氣體傳感器放置40 d后,在3種不同NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)(25×10-6、100×10-6、250×10-6)下分別重復(fù)測(cè)試3次的響應(yīng)靈敏度值S以及3組S值的平均值。圖10所示為UVO法處理7 min的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器,分別在3種不同NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)下所測(cè)的初始響應(yīng)曲線與放置40 d后的響應(yīng)曲線的比較圖。

從圖10可見(jiàn),放置40 d后,CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器對(duì)氨氣的氣敏性能有所下降,響應(yīng)時(shí)間也有所增加。根據(jù)表1中的平均響應(yīng)值,以及本試驗(yàn)中新鮮傳感器的初始響應(yīng)值,獲取UVO法處理7 min的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的保持率,如表2所示。根據(jù)表2可得,該氣體傳感器的保持率大于60%。由于所研究的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器樣品在實(shí)驗(yàn)室中,未進(jìn)行任何封裝,在存放過(guò)程中難免會(huì)受到空氣、灰塵等外界因素的污染,因此會(huì)直接影響到傳感器的性能,盡管如此,所研究的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器的保持率還能達(dá)到60%以上,這表明該氣敏傳感器具有良好的保持性能。

圖10 CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器在不同NH3質(zhì)量 分?jǐn)?shù)下所測(cè)的初始響應(yīng)值和放置40天后的響應(yīng)值

wNH3/10-6S1/%S2/%S3/%S平均值258.48.08.68.31008.79.28.98.925012.113.312.612.7

表2 放置40 d后靈敏度的保持率

選擇性和穩(wěn)定性對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)是非常重要的,通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證明,經(jīng)UVO法7 min處理的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器不僅對(duì)NH3的氣敏檢測(cè)具有一定的選擇性,而且還具有很好的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)CVD石墨烯進(jìn)行UVO法處理,實(shí)現(xiàn)了原位制備CVD氧化石墨烯,以此作為氣體敏感膜構(gòu)建了在室溫下工作的高性能NH3氣敏傳感器。本文采用掩模替代了光刻,不僅操作簡(jiǎn)單,而且避免了光刻膠對(duì)金屬電極和石墨烯的污染,不會(huì)影響石墨烯與金屬的接觸。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了UVO法處理石墨烯薄膜的最佳時(shí)間為7 min,并且證明了在該最佳時(shí)間處理后的CVD氧化石墨烯薄膜氣敏傳感器具有最好的靈敏度、時(shí)間響應(yīng)、選擇性和保持率。本文研究工作表明,UVO法處理優(yōu)化時(shí)間為7 min時(shí),氣敏傳感器對(duì)NH3的靈敏度達(dá)到最高值,時(shí)間響應(yīng)速度快、功耗低(測(cè)試功率≤1 mW)且長(zhǎng)期保持率好。以丙酮和無(wú)水乙醇為對(duì)比氣體,該傳感器表現(xiàn)出明顯的選擇性(靈敏度最大相差19%)。