石墨烯纳米带基气体传感器的设计与制备

发布时间：2020-03-05 09:26

【摘要】：石墨烯纳米带(GNRs)是一种新型的准一维石墨烯基纳米材料,它兼具有碳纳米管(CNTs)和石墨烯的结构与性质。GNRs具有较大的表面积和高反应活性的边缘,这不但可以提高GNRs对特定分子的吸附作用,而且可以使其更易于被掺杂和化学修饰。此外,其特殊的量子限域和边缘效应使得GNRs的电学性质可以通过改变纳米带的宽度和边缘的修饰来进行调节。因此,GNRs是一种极具潜力的气体敏感材料。在本论文中,我们使用氧化纵向剥离多壁碳纳米管(MWNTs)的方法成功制备了GNRs,并研究了其气敏性能;针对本征GNRs灵敏度低、仅对少数气体敏感等问题,我们设计并制备了基于新型GNRs薄膜/二氧化硅/硅(GNRs/SiO_2/p-Si)异质结的氨气和氢气气体传感器。首先我们通过纵向剥离MWCNTs制备了氧化石墨烯纳米带(GONRs),并通过抽滤转印和低温热还原方法在叉指电极上制备了GNRs薄膜。研究发现GNRs薄膜对氨气具有明显的响应。为了进一步提高GNRs基传感器的氨气敏感性,我们在带有自然氧化层的硅片上制备了GNRs/SiO_2/p-Si异质结结构,并使用原位聚合法对其进行了聚苯胺修饰,最终得到了基于聚苯胺修饰GNRs/SiO_2/p-Si异质结的氨气传感器。实验结果表明,室温下该传感器对1000 ppm的氨气表现出优异的响应air(35)R R(~90%),并且具有更短的响应和恢复时间。我们认为这是由于聚苯胺增强了传感器对氨气分子的吸附,吸附的气体分子会改变聚苯胺和GNRs中的载流子浓度,进而增大GNRs和p型硅之间的界面势垒,最终使得通过该异质结的电流在反向偏压下产生了大幅度的变化。我们首次在实验上研究了GNRs对氨气的敏感特性,并且探索了通过构建GNRs/SiO_2/Si异质结结构和聚苯胺修饰来提高其氨气敏感性能的新途径,这为研发高性能的氨气传感器提供了新思路。其次,我们使用一步法对GONRs进行还原和金属钯(Pd)纳米粒子修饰,制备了Pd-GNRs薄膜并研究了其氢气敏感性。随后,我们使用抽滤转印法制备了Pd-GNRs/SiO_2/Si异质结结构,并且发现该结构对氢气具有更加优异的敏感性。其中,基于Pd-GNRs/SiO_2/p-Si异质结的氢气传感器室温下对100 ppm氢气的响应air(35)R R约为94%,而对10000 ppm氢气的响应接近2000%。基于p-n结理论,我们提出了相应的气体敏感机理:由于氢气气体分子在Pd-GNRs表面的吸附升高了GNRs和p型硅之间的界面势垒使得通过该异质结的电流在反向偏压下产生了大幅度的变化。我们首次运用化学修饰的方法制备了Pd纳米颗粒修饰的GNRs,并将其应用于氢气传感器的研究中。而且,我们通过构建Pd修饰GNRs/SiO_2/Si异质结结构大幅度提高了传感器的氢气敏感性能,这也为研发高性能的GNRs基气体传感器提供了新思路。
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TP212

【参考文献】