[发明专利]一种基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯传感器制备领域，具体涉及一种基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是2004年发现的一种新型碳材料，石墨烯的发现者Geim教授等人也因发现了石墨烯获得了2010年诺贝尔物理学奖。碳原子以sp²杂化轨道组成六边形蜂巢结构，在二维平面上碳原子未成键P轨道在整个平面上形成了大π键。这种独特的结构使石墨烯具有一系列特殊的光学、电学、力学性质。比如光学，石墨烯在可见光区域内吸收率仅为2.3%；电学，石墨烯的电子运动速度高达1×10⁶m/s，远远大于电子在其它导体中的运动速度；载流子的迁移速率可达（2×10⁵cm².V^-1.s^-1），比硅快100倍，比砷化镓快20倍，且不随温度变化；力学，石墨烯是人类已知硬度最高的物质，比钻石还坚硬，比世界上最好的钢要强100倍以上。这些性质使石墨烯这些优异的性能使其在纳米电子器件、复合材料、电极材料等方面拥有广阔的应用前景。此外，由于石墨烯中的每个碳原子都暴露在表面使石墨烯的比表面积比较大容易吸附其它分子，而且石墨烯的电学性质很容易受吸附物质的影响而有所改变，这样使石墨烯是一种很好的传感器敏感材料。

目前，工业与日常常用的检测气体的方法为气相色谱、金属氧化物传感器、电化学传感器。这些检测气体的方法或传感器的敏感材料都有很多缺点，气相色谱价格比较昂贵，不适宜广泛应用；金属氧化物做传感器的缺点是其操作的条件不能在室温下，而是要需要加热的，这样造成能量的浪费；电化学传感器的寿命比较短，这些缺点都正是新材料石墨烯做传感器材料可以弥补的。石墨烯是一种碳材料，简单易得，价格便宜；石墨烯做敏感材料在室温下就可以进行而不需要加热；石墨烯做气体传感器可以重复多次使用的，寿命比较长，这些优点都决定了石墨烯将成为下一代传感器敏感材料。

目前，对于石墨烯做气体传感器的研究有很多，但大多都主要集中在单个传感器器件性能的研究而鲜有对于不同传感器之间的比较，来研究它们之间的性能是否相同，而这些就恰恰决定了石墨烯传感器能否广泛的应用或工业化生产，只有将石墨烯传感器的器件制作成一致的，这样才会使不同石墨烯传感器器件的性能相同，这样才会使石墨烯气体传感器广泛应用并工业化生产。

发明内容

为了解决现有技术制备的石墨烯传感器制备技术存在石墨烯形状与尺寸难以控制、制成的石墨烯传感器性能不一致，且不利于微纳米级石墨烯传感器集成的问题，本发明提供一种基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法，可以批量制备形状规则、相同性质的石墨烯传感器器件。

本发明的基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法是按以下步骤完成的：

一、石墨烯薄膜的制备：

1、氧化石墨烯薄膜的制备：将氧化石墨烯制成浓度为0.0001~0.0005g/ml的悬浮液，然后在清洗过的带300nm厚氧化膜的硅片上滴加一层氧化石墨烯悬浮液，将硅片在30~90℃温度下干燥10min~1h；

2、CVD石墨烯薄膜的制备：将以铜箔为催化剂制备的CVD石墨烯转移到带氧化层的硅片上；

二、制备规则形状的石墨烯：

①、待步骤一中硅片上的氧化石墨烯干燥后在其表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，旋涂转速为2000r/min~12000r/min；

②、将①中旋涂聚甲基丙烯酸甲酯后的硅片放在热台上加热并用带状聚二甲基硅氧烷模板压印聚甲基丙烯酸甲酯膜并在模板上施加0.5~2N/cm²的力，压印30s~90s；

 ③、将②中硅片从热台上取下，在空气中放置2min~10min，沿带的方向揭下聚二甲基硅氧烷模板，以等离子刻蚀硅片表面，刻蚀5min~1h；

④、将③中的硅片以丙酮蒸汽清洗5h~20h；

三、石墨烯的改性：

1、还原氧化石墨烯的改性：将步骤二中制备的带有规则带状氧化石墨烯的硅片置于管式炉中，在室温条件下将管式炉抽真空后充满惰性气体和还原性气体，将管式炉内的温度从室温加热至300~900℃，在300~900℃温度下持续加热5~50min，将温度降至室温后即可形成规则条状还原氧化石墨；

所述的还原性气体与惰性气体的体积比为1:(1~5)，其中还原性气体为氨气或氢气，惰性气体为氮气、氦气或氩气；