[发明专利]一种使用高能激光制备石墨烯气体传感器的方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯的新型气体传感器。所述气体传感器中，以微型平整石墨基板为基础材料，通过高能激光加工手段，沿设计的路径进行加工，将加工路径中的石墨转化为石墨烯或其衍生物，加工路径之外的石墨不发生变化，加工后的结构构成一个气体传感器；其中石墨部分作为电极与外部电路相连，石墨烯部分作为气体测量单元进行气体浓度传感；其主要的工作机理是石墨烯或其衍生物在吸附气体后，电阻数值会发生变化，通过外置电路测量电阻阻值的改变量，可以得到气体浓度信息。所述气体传感器体积小、重量轻、制作方便、能够批量生产、与外部电路连接容易、可以集成在大规模集成电路中，在消费电子领域会产生极大的价值。

技术领域

本发明属于气体传感器领域，更具体地，涉及一种利用高能激光制备出石墨烯或其衍生物，并用来进行气体传感。

背景技术

电子气体传感器被广泛应用在工业生产、日常生活以及科学研究领域，其中的半导体电阻式传感器使用简单、控制方便，是应用最广泛的气体传感器之一。伴随消费电子领域的快速发展，越来越多的气体传感器被植入一些终端设备以获取环境、健康相关的更多数据，这要求气体传感器要小型化、集成化，并且能够批量化生产，降低器件的成本。

石墨烯是一种二维碳材料，石墨烯最早从胶带上进行剥离的，随后包括液相法，化学气相沉积法、火焰合成法、脉冲激光法等方法被开发出来。其中，脉冲激光法与气相沉积法类似，是用激光脉冲气化碳原子，再从基底上生长的方法。近年来，已经有工作证明高能激光可以使钻石转化为石墨烯、将石墨直接剥离成石墨烯。

石墨烯以及其衍生物在气体传感器上的应用是近年来的研究热点。作为气体传感器的传感材料，石墨烯主要有以下优势：第一，石墨烯具有非常大的比表面积(2630m²/g，单层石墨烯)，意味着其对气体有非常强的吸附能力；其次，石墨烯与环境之间是范德瓦尔斯力与共价键的弱平衡，气体吸附引起的扰动会干扰电子系统；第三，石墨烯有最低的电导率；第四，少量的额外电子能引起石墨烯电导率的明显变化。基于以上原因，石墨烯是非常适合作为气敏材料的功能材料。并且已经有石墨烯相关的气体传感器在有毒和爆炸性气体监测上进行了应用。

但是，基于石墨烯的气体传感器开发也面临许多问题。主要问题有：第一，高质量的石墨烯往往通过化学气相沉积法生长，成本高昂；第二，石墨烯转移困难，容易出现褶皱，很难做到标准化转移；第三，与外部电路连接困难，集成化代价高昂，需要为石墨烯设计单独的电极，当器件尺寸极小时，往往需要大型半导体加工设备进行电极制备，成本极高，且不能够大量生产。

针对市场需求大的石墨烯气体传感器面临的制备复杂、难以标准化生产、难以低成本的与电路集成等缺陷，本发明提出了一种使用高能激光，在石墨基板上制备石墨烯及其衍生物的同时，将石墨作为电极，利用石墨烯及其衍生物进行气体传感的技术方法。由于在高能加工过程已经解决了气体传感器中气敏材料石墨烯制备和制备电极并紧密连接的问题，使得本发明所提出的气体传感器具有制备方法简单、可以进行大批量生产、低成本的制备电极和易于电路集成等优点。基于以上认识，本申请提出的新型石墨烯气体传感器是一种显著的技术进步。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用高能激光在石墨基板上制备石墨烯及其电极并用来进行气体传感的技术方案。

本发明实现气体传感的基本原理是通过高能激光剥离石墨，在石墨基板上制备出石墨烯或其衍生物，并将剩余的石墨材质作为电极与外部电路相连。由于石墨烯及其衍生物在吸附气体后，电阻会发生较大变化，实验中可以通过连接石墨电极，测量整个器件的电阻，来对待测气体的浓度进行测量。

本发明的气体传感器主要构成部分包括石墨基板载体，高能激光沿一定加工路径制备的石墨烯或其衍生物，未加工部分导电性良好的石墨形成的电极。

所述的气体传感器的气敏材质是高能激光加工石墨过程产生的石墨烯及其衍生物。