超薄钛沉积石墨烯基传感器室温氨气响应性能研究
发布时间：2021-10-11 00:50
本征石墨烯气体传感器（Gr器件）对NH3气体的室温响应非常微弱,为此本文采用电子束蒸镀方法在原器件沟道区域分别沉积3 nm、5 nm和10 nm的薄层金属Ti,形成三种Ti/Gr器件。实验发现Ti/Gr器件在黑暗条件下对NH3气体的室温响应灵敏度远高于Gr器件;而引入可见光照射使三种Ti/Gr器件的响应灵敏度进一步提高,同时恢复性也得到一定提升。其中,5 nm Ti/Gr器件获得最佳的性能提升,对通入3 min 400×10-6 NH3的灵敏度达+17.9%,恢复时间为3 min。通过XPS分析,发现不同Ti/Gr器件沟道处所沉积的薄层Ti发生不同程度的氧化,生成包含不同价态成份的钛氧化物,导致特定Ti层厚度的Ti/Gr器件具有最佳性能。
【文章来源】：传感技术学报. 2020,33(10)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
本征照片和拉曼谱线
图1(a)是本征石墨烯样品光学显微镜照片,图1(b)中由下至上分别是图1(a)中A、B、C三个典型测试点的拉曼谱线。三条谱线的2D、G及D 峰的位置分别在2 695 cm-1、1594 cm-1及1 350 cm-1附近,符合石墨烯特征峰的位置[12]。三个位置处2D峰与G峰的强度之比I2D/IG分别为1.9、1.1和0.7,可以判断三个位置处石墨烯层数分别为单层、双层及多层。本文实验所用石墨烯薄膜以单层为主。另外D峰强度都非常弱,说明该石墨烯样品缺陷较少[12]。图2是三种Ti/Gr器件沟道区域表面SEM照片。可以看到样品表面较均匀地分布着尺寸为几十纳米的颗粒或团簇。而沉积Ti厚度的不同,这些纳米颗粒或团簇的密度也不同。沉积5 nm Ti的样品表面的颗粒或团簇的密度要明显大于沉积3 nm Ti的样品。而沉积10 nm Ti的样品表面比较平坦,颗粒或团簇的轮廓已不太明显。
图3是三种Ti/Gr器件沟道区域表面的XPS分析。可见,随着Ti沉积厚度的增加,Ti的2p3/2和2p1/2峰位置向低结合能方向移动。当沉积厚度为3 nm时,2p3/2和2p1/2峰基本上是对称的,位置分别在458.9和464.6 eV,表明Ti的状态完全是Ti4+[13]。为方便起见,以下分析均是对2p3/2峰进行。当沉积厚度增至5 nm时,除了位于458.9 eV的Ti4+状态,还出现了位于458.4 eV的Ti3+状态[14]。当沉积厚度进一步增加到10 nm时,在Ti的2p3/2峰附近低结合能区域出现了位于456.9 和 455.1 eV两个肩峰,表明出现了更低价态的Tiδ+(0<δ<3)[14]。位于458.4eV的Ti3+状态的比例较高,而位于458.9 eV的2p3/2峰的幅度已非常的小,表明Ti4+状态的比例已经非常的低。可见,沉积到石墨烯表面不同厚度的薄层Ti都有不同程度氧化,且随着沉积Ti厚度的增加,Ti4+状态的比例逐渐减小,而较低氧化价态的比例逐渐增大。图4 三种Ti/Gr器件沟道区域紫外-可见漫 反射吸收光谱分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于p-型PANI/n-型WO3异质结的柔性气体传感器及其室温下高性能NH3检测（英文）[J]. 贺蒙,解丽丽,罗贵芳,李崭虹,James Wright,朱志刚. Science China Materials. 2020(10)
[2]蛋鸡舍有害气体监测技术研究进展[J]. 韩昆鹏,杨凌,卞红春,陈静华,顾海洋. 山东畜牧兽医. 2020(06)
[3]呼吸机氧浓度中央监测系统的设计[J]. 孙焕,许新建,汤栋生. 中国医学装备. 2019(03)
[4]金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感领域的研究进展[J]. 李磊,陈卫. 中国科学:技术科学. 2015(12)
[5]铋系半导体光催化材料[J]. 李二军,陈浪,章强,李文华,尹双凤. 化学进展. 2010(12)
本文编号：3429471
【文章来源】：传感技术学报. 2020,33(10)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
本征照片和拉曼谱线
图1(a)是本征石墨烯样品光学显微镜照片,图1(b)中由下至上分别是图1(a)中A、B、C三个典型测试点的拉曼谱线。三条谱线的2D、G及D 峰的位置分别在2 695 cm-1、1594 cm-1及1 350 cm-1附近,符合石墨烯特征峰的位置[12]。三个位置处2D峰与G峰的强度之比I2D/IG分别为1.9、1.1和0.7,可以判断三个位置处石墨烯层数分别为单层、双层及多层。本文实验所用石墨烯薄膜以单层为主。另外D峰强度都非常弱,说明该石墨烯样品缺陷较少[12]。图2是三种Ti/Gr器件沟道区域表面SEM照片。可以看到样品表面较均匀地分布着尺寸为几十纳米的颗粒或团簇。而沉积Ti厚度的不同,这些纳米颗粒或团簇的密度也不同。沉积5 nm Ti的样品表面的颗粒或团簇的密度要明显大于沉积3 nm Ti的样品。而沉积10 nm Ti的样品表面比较平坦,颗粒或团簇的轮廓已不太明显。
图3是三种Ti/Gr器件沟道区域表面的XPS分析。可见,随着Ti沉积厚度的增加,Ti的2p3/2和2p1/2峰位置向低结合能方向移动。当沉积厚度为3 nm时,2p3/2和2p1/2峰基本上是对称的,位置分别在458.9和464.6 eV,表明Ti的状态完全是Ti4+[13]。为方便起见,以下分析均是对2p3/2峰进行。当沉积厚度增至5 nm时,除了位于458.9 eV的Ti4+状态,还出现了位于458.4 eV的Ti3+状态[14]。当沉积厚度进一步增加到10 nm时,在Ti的2p3/2峰附近低结合能区域出现了位于456.9 和 455.1 eV两个肩峰,表明出现了更低价态的Tiδ+(0<δ<3)[14]。位于458.4eV的Ti3+状态的比例较高,而位于458.9 eV的2p3/2峰的幅度已非常的小,表明Ti4+状态的比例已经非常的低。可见,沉积到石墨烯表面不同厚度的薄层Ti都有不同程度氧化,且随着沉积Ti厚度的增加,Ti4+状态的比例逐渐减小,而较低氧化价态的比例逐渐增大。图4 三种Ti/Gr器件沟道区域紫外-可见漫 反射吸收光谱分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于p-型PANI/n-型WO3异质结的柔性气体传感器及其室温下高性能NH3检测（英文）[J]. 贺蒙,解丽丽,罗贵芳,李崭虹,James Wright,朱志刚. Science China Materials. 2020(10)
[2]蛋鸡舍有害气体监测技术研究进展[J]. 韩昆鹏,杨凌,卞红春,陈静华,顾海洋. 山东畜牧兽医. 2020(06)
[3]呼吸机氧浓度中央监测系统的设计[J]. 孙焕,许新建,汤栋生. 中国医学装备. 2019(03)
[4]金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感领域的研究进展[J]. 李磊,陈卫. 中国科学:技术科学. 2015(12)
[5]铋系半导体光催化材料[J]. 李二军,陈浪,章强,李文华,尹双凤. 化学进展. 2010(12)
本文编号：3429471
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