二维材料的异质结构组装及其传感机理研究

发布时间：2020-09-18 18:31

　　 气体传感器作为建立环境监测系统的“三大基石”之一,越来越为国家所重视。性能优良的气体传感器通常需要具有导电性好、比表面积大、结构有序的特点。随着纳米技术的飞速发展,许多具有这样特性的纳米材料引起了气体传感领域研究者极大的兴趣。例如,具有高载流子迁移率、高比表面积的石墨烯二维材料、硅纳米线阵列等。但是,传统的石墨烯气体传感器恢复时间较长,有的甚至长达数小时;裸硅纳米线极其不稳定,容易被空气氧化,尤其在腐蚀性气氛中,检测环境对于裸硅纳米线的破坏是致命的。针对以上问题,本研究创新性地提出了一种双管齐下的方法:一方面控制材料形态与尺寸,将普通石墨烯材料制备为石墨烯量子点;另一方面将石墨烯量子点与硅纳米线阵列组装为异质结构。另外,为了简化器件制备,又在石墨烯量子点/硅纳米线阵列的基础上引入了 PEDOT:PSS。本研究主要研究结果如下:第一,以硅纳米线阵列为骨架,采用真空辅助的方法在其外部修饰石墨烯量子点,组装成石墨烯量子点/硅纳米线阵列异质结构。较于裸硅纳米线阵列传感器,石墨烯量子点/硅纳米线阵列传感器对于低浓度NO2(1Oppm)响应的灵敏度提升了将近10倍。同时,本论文从界面角度研究了传感性能提升的原因,给出了机理解释。另外,在石墨烯量子点层的保护下,硅纳米线阵列避免了被氧化,这对于延长器件的使用寿命具有重大意义。第二,针对器件制备过程耗时且步骤繁琐的问题,我们在石墨烯量子点/硅纳米线阵列异质结构基础上进行了改进。将导电聚合物PEDOT:PSS引入到传感体系中,组装成石墨烯量子点/PEDOT:PSS/硅纳米线阵列结构。在维持器件传感性能的同时,将制备时间缩短为原来的1/3左右,同时分析了 PEDOT:PSS提升石墨烯量子点/硅纳米线阵列传感性能的原因。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TP212
【部分图文】：

图１．１…维材料家族构成及分类（Ｇｕｐｔａ等．，２０１５）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋２Ｄ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ｆａｍｉｌｙ逡逑直到２００４年，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ大学的Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等（２００４）通过透明胶带剥离逡逑

由于石墨烯出众的特性，研究者们针对其制备方法也做了很多努力。石墨烯逡逑的制备方法很多，方法不同，所制备的石墨烯性能也大相径庭。根据制备路径来逡逑分，石墨烯的制备方法有“自上向下”和“自下而上”两种方法，如图１．２所示逡逑（Ａｍｂｒｏｓｉ等．，２０１４）。其中，“自上而下”法，通常是以石墨作为起始原料，通逡逑过机械法（如透明胶带剥离）、化学法（如溶液剥离，氧化石墨剥落／还原）或电逡逑化学法（氧化／还原和剥离）制备石墨烯，其原理均在于削弱石墨烯层间的范德逡逑华力。“自下而上”法是指通过催化（例如ＣＶＤ），热分解（例如ＳｉＣ分解）或逡逑化学（有机合成）等过程，将小分子组装成单层或多层石墨烯结构，从而生成石逡逑墨烯。下面，对石墨烯的主流制备方法进行简单介绍。逡逑铖化还原法逡逑

本文编号：2822015