[发明专利]一种图案化石墨烯气敏传感器的制备方法

说明书

本发明提供的一种图案化石墨烯气敏传感器的制备方法，首先利用脉冲激光对石墨烯进行图案化加工，得到具有拓扑结构的石墨烯，最后通过具有拓扑结构的石墨烯组装石墨烯气敏传感器；本发明通过设计不同图案种类及密度的拓扑结构，建立石墨烯图案‑缺陷‑气敏传感性能一一对应关系；本发明的制备过程安全、无污染、可在常温常压下开放环境中完成制备过程。

技术领域

本发明属于纳米传感器领域，具体涉及一种图案化石墨烯气敏传感器的制备方法。

背景技术

随着社会和科技的逐渐发展进步，人们的物质生活水平有了长足的提高和改善。而环境空气污染以及相应的安全隐患问题的出现，已经对社会造成了巨大的财产损失，对人们身体健康造成了巨大威胁和伤害。因此，对大气、人们的生活和工作环境中有毒有害气体实行有效实时监控，以及对工厂、公司中易燃易爆气体进行实时检测，是解决气体污染和安全问题的一项重要工作，具有重大的社会意义。而这就对气体传感器技术提出了新要求。现在广泛使用的传感器主要是基于金属氧化物和导电聚合物，这类传感器通常具有寿命较长、制作简单、反应灵敏等优点，但仍普遍存在制造成本高、加工难度大、测试方法复杂、灵敏度低、选择性差和可靠性不足等问题，许多传感器在工作过程中还需要进行外部加热或光照射辅助，这一方面增加了器件能耗，另一方面也存在较大的使用安全隐患。随着石墨烯的发现，由于其无可比拟的优良特性，推动了气体传感器领域的发展。

石墨烯具有比表面积大、载流子迁移率高、约翰逊噪声小(平衡状态下由载流子的热振动引起的噪音)、探针与器件之间有良好的欧姆接触等优点，是一种非常有潜力的气敏材料。2007 年，Novoselov等人首次采用石墨烯作为气敏材料，结果显示制备的石墨烯传感器的检测限可以达到几个ppb量级，并指出石墨烯具有检测单个气体分子的潜力。Alizadeh等人采用水合肼还原石墨烯，加入PMMA，制备的rGO/PMMA甲醛气体传感器的检测限可以达到0.01ppm，且在0.5-5.0ppm间保持线性响应。Mu等人在化学气相沉积生长的石墨烯上沉积了0.5nm厚的ZnO 薄膜用来检测甲醛气体。结果表明，它对甲醛的响应度达到了52％，且具有响应时间短等优点。

上述研究中显示了石墨烯具有优异的气敏性能，其传感机制来源于石墨烯的活性位点，活性位点的种类和数目极大影响了石墨烯的气敏性能。目前增加石墨烯活性位点的主要方法是化学修饰，包括吸附和掺杂活性基团，再利用活性基团对环境气体的吸附进行传感。然而化学修饰的方法使得石墨烯的导电性能降低，微小电阻变化难以被检测，即传感器的灵敏度不佳。此外化学修饰法引入的活性基团难以控制，导致传感器的稳定性不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图案化石墨烯气敏传感器的制备方法，解决了现有的增加石墨烯活性位点的方法存在石墨烯的导电性能降低及活性基团难以控制的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种图案化石墨烯气敏传感器的制备方法，首先利用脉冲激光对石墨烯进行图案化加工，得到具有拓扑结构的石墨烯，最后通过具有拓扑结构的石墨烯组装石墨烯气敏传感器。

优选地，利用脉冲激光对石墨烯进行图案化加工的具体方法包括以下步骤：

步骤1，在载有石墨烯的柔性基底上设置阵列式布置的几何图案，得到具有几何图案的柔性基底，其中，两个相邻的几何图案之间的间距为50～1000μm；每个图案的边长为30～300μm；

步骤2，利用脉冲激光刻蚀掉步骤1中的具有几何图片的柔性基底中的几何图案，得到透明基底表面形成图案化石墨烯，所述图案化石墨烯具有拓扑结构的石墨烯。

优选地，所述几何图案为圆形、三角形、方形、椭圆形、波浪形、多边形、锯齿形或螺旋线形。

优选地，所述脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。

优选地，脉冲激光的波长256～1100nm，激光功率1～100W。