内容发布更新时间 : 2024/5/30 4:30:37星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

当石墨烯遇上气体传感器 简直绝配

气体传感器，可用于检测可燃，易燃和有毒气体的设备，和/或氧的消耗.这种类型的装置也被广泛用于工业或灭火。各种材料如无机半导体，共轭聚合物和碳纳米材料已探索到制造气体传感器中。

在这其中，基于石墨烯的气体传感器最近引起了强烈的关注。作为气体传感器的传感材料，石墨烯的优异性能具有种独特而有吸引力。

首先，石墨烯具有大的理论比表面积（2630 M2G≤1）。单层石墨烯片的所有原子可以被认为是表面原子和它们能吸附气体的分子，提供每单位体积的最大感测区域。其次，石墨烯片之间的相互作用和吸附可能因微弱的范德华力，以强大的共价键。所有这些相互作用的扰动将石墨烯的电子系统，该系统可以容易地MONI-tored通过方便的电子方法。第三，石墨烯的电荷载流子有静止质量为零靠近其狄拉克点和石墨烯在室温下表现出显着的高载流子迁移率，使得石墨烯比银导电并具有在室温下的物质中是最低的电阻率。 另外，石墨烯具有固有的低的电噪声，由于其高品质的晶格连同其二维结构，使得它能够屏蔽比一维对应更多的电荷波动。其结果是，少量的额外的电子可引起石墨的电导率有明显的变化。一个非常小的变化所引起的气体吸附的石墨烯片的电阻甚至下降到了分子水平是可检测的。而且，石墨烯片，也可用于制造四点式设备，以有效地消除接触电阻的影响。化学转化的石墨烯还可以在大规模的成本相对较低合成。实际上，石墨烯材料已广泛用于检测有毒和爆炸性气体。 石墨烯的结构

如图所示，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 石墨烯的特性

石墨烯吸附目标气体后其电导率发生变化，通过确定电导率变化及目标表气体浓度间的变化关系，就可以通过测量石墨烯的电导率变化从而测得目标气体的浓度。它属于一种电阻

式传感器。

通过石墨烯材料气体的检测主要是基于在感测物质的吸附其电导变化。气态吸附物具有不同的组成和结构与石墨烯在不同的模式进行交互。惰性闭孔吸附像水不诱导石墨烯检测局部畸变状态，它们影响石墨烯的电导通过摇匀石墨烯片内或片石墨烯及其基板之间的电子。另一方面，开放细胞吸附物例如NO 2，碱金属和卤素有化学活性的；他们可以充当这有助于电子或空穴对石墨和改变其电子浓度为临时掺杂剂。这些分子结合石墨烯的离子，但与石墨烯条带杂交弱。另一种吸附物是共价键吸附，包括H和OH自由基，它可以形成共价键与石墨烯。

石墨烯本质上是一个p-n型半导体。当它被暴露于各种气体，其电导的响应方向可能是不同的。吸电子基的气体分子例如NO2的吸附增强了石墨烯的掺杂水平，并增加其电导。另一方面，给电子性分子如NH3解原液的石墨烯，并降低其电导率。

各种石墨烯复合材料也被应用于作为传感材料，以提高基于石墨烯的气体传感器的性能。其中，石墨烯/聚合物复合材料通常具有多孔微结构，以加速在传感层中的气体扩散。在这种情况下，复合体的两种组分可以吸附气体分子，促进了传感层的电导变化。贵金属如Pt和Pd的纳米颗粒已被固定在石墨烯片以催化气体的反应，为了提高感测信号。吸附石墨烯及其复合材料的表面上的氧或水分子也可以与传感分子相互作用，并向传感响应了贡献。特别是，对于石墨/金属氧化物复合材料，氧的吸附，有时是用于实现检测反应是至关重要的。所吸收的氧分子被捕获从金属氧化物的电子可能转化为离子物质。引入检测的气体种类后，在金属氧化物的表面上的电子浓度改变，因为气体和被吸附的氧离子之间的相互作用，并导致传感层的电导变化。

石墨烯气体传感器的结构及配置化学电阻是气体传感器的使用最广泛的配置。在这种情况下，气态分析物通过测量诱导的吸附气体分子传感层的电阻变化进行检测。这种类型的传感器的优点是其简单的制作和直接测量。下图是四点电阻的叉指式气体传感器的结构。甲微小尺寸的加热板被引入装置来控制感测的温度。该传感器可以用于检测NO 2，NH 3，二硝基甲苯（DNT），传感器的性能强烈地依赖于温度。

场效应晶体管（FET）也被应用于用于感测气体。在这种情况下，FET的漏极电流依赖于栅极偏置，并且它可以通过暴露于目标气体被有效地改变。

FET传感器的性能强烈地依赖于器件的开/关电流比率。较高的开/关比，通常可以向更高的灵敏度。几种方法已经被用来创建能隙在石墨烯片来实现开/关比的场效应晶体管器件，包括常规纳米光刻图案化，合成石墨烯纳米带和分离从散装石墨微小的石墨烯片高。在石墨烯片的电荷载体是因为其独特的原子厚的二维结构的双极性，并且电荷密度可以通过电

中，RGO血小板的悬浮网络担当了导电沟道由桥接源极和漏极电极。当NO 2分子被吸附到石墨烯片的表面上，局部载流子浓度增加，该信号可以由一个晶体管之类的设备进行监控。电子或空穴可以作为在石墨烯场效应晶体管的主要电荷载体取决于栅极电位（VG）的值。

表面声波（SAW）技术也被研究用于气体的检测。气体感测由这种类型的传感器是根据所引起的质量变化和/或在暴露于气体分子的传感层电导变化的频率的变化。SAW传感器对CO和H2的检测。感测响应进行测量，为约1.7或向1％的H2或1000ppm的CO。尽管两种气体的还原性质7.0赫兹，频率偏移的方向是不同的。

这种现象可作如下解释。一个SAW传感器响应两者质量和表面电导变化。但是，CO的分子量比H 2的高14倍。因此，在一氧化碳反应的主要因素是质量的变化，而H 2的反应，主要是由于石墨烯的电导变化。

如今，大多数基于石墨烯的气体传感器具有薄的层结构。一个单独的原始或CVD石墨烯片可以被转移到一个刚性或柔性的衬底，以形成传感层。然后金属电极沉积在石墨烯的表面上带有一个荫罩来构造最终传感装置。CCGS的薄层可以从他们的悬浮液通过滴铸，旋涂法，喷涂法或浸涂法来制造。散装石墨烯材料也已被应用于用于制造气体传感装置。例如，石墨烯泡沫体具有连续的三维网，制备了CVD法和镍泡沫体用作模板。这些泡沫体具有较大的孔隙率，并且气体分子可以容易地扩散到内部的石墨壁的表面，以有助于感测信号。