还原氧化石墨烯基新型场效应晶体管和二极管的创制及其传感应用

发布时间：2017-03-20 03:09

  本文关键词：还原氧化石墨烯基新型场效应晶体管和二极管的创制及其传感应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自2004年被发现以来,石墨烯不仅丰富了碳纳米材料类型而且引起了全世界的研究热潮。石墨烯是碳原子采取sp2杂化,与邻近碳原子以σ键形成六角蜂窝状的二维波浪形平面结构,是厚度仅为0.335 nm,目前世界上最薄的二维材料。石墨烯具有优异机械、电学、光学等物理和化学性质,在纳米电子器件、储能材料、催化及传感等领域拥有巨大的应用前景。近年来,基于石墨烯的场效应晶体管(FET)和二极管等电子器件,因具有噪音低、稳定性好、比表面积大、生物相容性好和对外部环境变化敏感等特点而被广泛地用于传感研究。为方便起见,在本学位论文工作中,特将此类传感器件统称为石墨烯基电子传感器。早期,科学家们对石墨烯电子传感器的研究主要是利用石墨烯自身的性质实现对待测物质的响应。然而随着研究工作的深入,以石墨烯表界面性质调控、传感器结构优化、器件制备工艺改良等作为主要手段发展新型传感器,提升已有传感器的性能逐渐成为石墨烯基传感器的研究主流,以期不断丰富石墨烯基传感器类型,拓展石墨烯基传感器应用。本论文以简单易得的还原氧化石墨烯(RGO)为传感元素,通过表面结构修饰,构建了不同类型的液相电子传感器,实现了对某些生物活性物质和重金属离子的高灵敏度和高选择性检测。与此同时,还设计制备了选择性检测HCl的RGO/银纳米线柔性气体传感器。本学位论文主要包括以下四方面的工作：(1)利用亲水-疏水界面技术,得到了基于RGO条纹图案的溶液栅场效应晶体管(SGFET)传感器。实验表明,该SGFET传感器的转移曲线具有石墨烯典型的双极性性质,而且对一系列三磷酸核苷酸表现出一定的区分检测能力。为了提高该传感器(S2)对三磷酸核苷酸的传感性能,以含阳离子咪唑功能基团的双芘衍生物,py-diIM-py,修饰RGO导电沟道,得到了修饰传感器(S1)。传感性能研究表明,与S2对五种所测试的三磷酸核苷酸的响应相比,S1对ATP和GTP具有更高的检测灵敏性和选择性,实测检出限可低至400 nM。机理研究说明,正是修饰物与ATP或GTP的静电作用才使得更多的待测物可以被富集到RGO表面,从而引发更多的电子转移。至于选择性则可归因于ATP和GTP的碱基与RGO较强的π-π作用。此外,改变栅压不仅能够调节传感器的灵敏性,而且可以获得多种传感信号。值得一提的是,S1与S2对所测试的三磷酸核苷酸具有交互响应性,据此可以实现对五种三磷酸核苷酸的区分检测。(2)利用电化学还原法构建了基于RGO的新颖电阻型化学传感器。以芘的葡萄糖衍生物(PG)修饰RGO,实现了对Hg2+的高灵敏度、高选择性检测。传感性能研究表明,修饰后的传感器(C1)在Hg2+浓度仅为0.1nM时就有明显的电流变化,而未修饰的传感器(C2)直到Hg2+浓度增大到4 nM时才开始有比较明显的电流变化。此外,常见金属离子K+,Na+, Cu2+, Zn2+和Fe3+等对C1的导电性能影响不大。除此之外,该传感器在0.1nM—4nM范围内表现出很好的线性和高选择性响应,K+,Na+,Cu2+,Zn2+和Fe3+等常见金属离子的存在不干扰测定。系统对重金属离子Cd2+也有响应,不过这一响应发生在浓度2 nM以上。结果表明,RGO基的电阻型传感器制备简单、操作方便、重复性好,是一种理想的可以微型化的水体Hg2+高灵敏、高选择性传感器。(3)设计制备了基于RGO/GO和银纳米线的柔性电阻型气体传感器。实验发现,改变RGO/GO和银纳米线的沉积次序不仅显著影响系统的导电行为,而且还会影响系统的传感性能。传感测试表明,该系统对HCl气体具有特异响应性,且以银纳米线/RGO的传感性能最优。此外,通过调节RGO的厚度也可以改善传感器的传感性能。(4)以甘氨酸、L(D)-苯丙氨酸为连接臂将三联噻吩和胆固醇链接,设计合成了三种小分子有机胶凝剂TtGC、TtLPC和TtDPC(见附录)。分别研究了这些化合物的胶凝行为和成胶机理。研究表明不同连接臂结构以及手性基团的引入对化合物的胶凝行为有明显的影响。此外,胶凝剂分子之间通过氢键作用和胆固醇的范德华力作用以四方堆积和六方堆积两种方式聚集,从而形成具有左手螺旋的原纤维,这种原纤维再聚集形成较大的纤维,进而形成纤维网络结构,然后过渡到纤维-片状混合结构,再到片状-棒状混合结构,最终相互缠绕成为棱柱结构。这些聚集体堆积成网阻碍了溶剂流动,从而形成具有粘弹性的分子凝胶。有趣的是,以这种分子凝胶流延得到了具有微纳米网络结构形貌的荧光传感薄膜,实现了对醋酸气体的"turn-on"型传感,且可逆性好。实事求是的讲,以这种分子凝胶制备高孔隙率、大比表面荧光薄膜有其自身优势,但所需荧光胶凝剂制备过程冗长,膜稳定性不够理想,再生也很复杂,因此,本学位论文在进行了相关探索之后将注意力集中到了易于器件化、微型化,也与小分子胶凝剂密切相关的石墨烯基电子传感器研究。为了不影响学位论文的结构,特将本部分内容作为附录列入。
【关键词】：石墨烯 还原氧化石墨烯 电子传感器 凝胶 荧光
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386;TN31
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 缩略语8-13
• 第一章 石墨烯基电子传感器研究进展13-39
• 1.1 石墨烯的发展历程13-14
• 1.2 石墨烯的结构与性质14-17
• 1.3 石墨烯的制备17-25
• 1.3.1 机械剥离法18
• 1.3.2 化学气相沉积法18-19
• 1.3.3 外延生长法19-20
• 1.3.4 电化学剥离法20-21
• 1.3.5 有机合成法21-22
• 1.3.6 氧化石墨烯的化学还原法22-25
• 1.4 石墨烯的功能化25-26
• 1.4.1 共价键修饰25-26
• 1.4.2 非共价键修饰26
• 1.5 石墨烯基电子传感器26-36
• 1.5.1 液相传感器27-33
• 1.5.2 气相传感器33-36
• 1.6 展望36-39
• 论文选题依据和研究思路39-41
• 第二章 图案化还原氧化石墨烯基场效应晶体管的创制及其对三磷酸核苷酸的检测和区分41-63
• 2.1 引言41-42
• 2.2 实验部分42-47
• 2.2.1 试剂42-43
• 2.2.2 氧化石墨烯(GO)的制备43
• 2.2.3 氧化石墨烯悬浮液的制备43-44
• 2.2.4 化合物py-diIM-py的合成44
• 2.2.5 还原氧化石墨烯基图案化及溶液栅场效应晶体管传感器的制备44-45
• 2.2.6 界面修饰45
• 2.2.7 电学传感测试45
• 2.2.8 XRD图谱测试45-46
• 2.2.9 原子力显微镜测试46
• 2.2.10 扫描电镜测试46
• 2.2.11 红外光谱测试46
• 2.2.12 XPS光谱测试46
• 2.2.13 接触角测试46
• 2.2.14 光学显微镜46
• 2.2.15 电学性能测试46-47
• 2.3 结果与讨论47-61
• 2.3.1 GO的结构表征47-48
• 2.3.2 GO的形貌表征48-49
• 2.3.3 界面亲水-疏水法制备图案化GO薄膜49-50
• 2.3.4 RGO的结构表征50-51
• 2.3.5 传感界面的修饰51-52
• 2.3.6 溶液栅场效应晶体管的电学性能研究52-54
• 2.3.7 基于RGO的溶液栅场效应晶体管对GTP的传感54-55
• 2.3.8 基于RGO的溶液栅场效应晶体管对ATP的传感55-56
• 2.3.9 传感机理研究56-59
• 2.3.10 基于RGO的溶液栅场效应晶体管对三磷酸核苷酸的区分检测59-61
• 2.4 本章小结61-63
• 第三章 新型还原氧化石墨烯基电阻型传感器的创制及其对汞离子的高灵敏选择性检测63-75
• 3.1 引言63-64
• 3.2 实验部分64-66
• 3.2.1 试剂64
• 3.2.2 化合物PG的合成64-65
• 3.2.3 液相电阻型传感器的制备65
• 3.2.4 界面修饰65-66
• 3.2.5 金属离子传感测试66
• 3.2.6 扫描电镜测试66
• 3.2.7 拉曼光谱测试66
• 3.2.8 电学性能测试66
• 3.3 结果与讨论66-73
• 3.3.1 电化学还原法制备ERGO66-67
• 3.3.2 ERGO的Raman光谱表征67-68
• 3.3.3 ERGO界面上的非共价键修饰68-69
• 3.3.4 ERGO基电阻型传感器的电学性能69
• 3.3.5 基于ERGO电阻型溶液相传感器对Hg~(2+)的传感69-71
• 3.3.6 基于ERGO电阻型溶液相传感器对金属离子的检测选择性71-73
• 3.3.7 传感机理模型73
• 3.4 本章小结73-75
• 第四章 银纳米线-还原氧化石墨烯杂化柔性气体传感器75-83
• 4.1 引言75
• 4.2 实验部分75-77
• 4.2.1 试剂75-76
• 4.2.2 银纳米线的制备76
• 4.2.3 条纹状导电沟道的制备76-77
• 4.2.4 基于还原氧化石墨烯和银纳米线层层组装的气相传感器的制备77
• 4.2.5 X射线衍射分析77
• 4.2.6 扫描电镜测试77
• 4.2.7 电学性能测试77
• 4.3 结果与讨论77-81
• 4.3.1 银纳米线的形貌和结构表征77-78
• 4.3.2 传感器的条纹状结构78-79
• 4.3.3 传感器的电学性能79-80
• 4.3.4 器件的传感性能80-81
• 4.3.5 传感选择性测试81
• 4.4 本章小结81-83
• 附录 三联噻吩胆固醇衍生物分子凝胶的创制及其传感应用83-107
• 5.1 凝胶和物理凝胶83
• 5.2 小分子凝胶83-85
• 5.3 π-共轭小分子胶凝剂在荧光传感方面的应用85-87
• 5.4 实验部分87-92
• 5.4.1 试剂87-88
• 5.4.2 三联噻吩胆固醇小分子胶凝剂的合成(图5-3)88-90
• 5.4.3 胶凝实验90-91
• 5.4.4 凝胶微观形貌观察91
• 5.4.5 核磁图谱测试91
• 5.4.6 红外光谱测试91
• 5.4.7 元素分析测试91-92
• 5.4.8 圆二色谱和紫外可见光谱测试92
• 5.4.9 XRD图谱测试92
• 5.4.10 XPS光谱测试92
• 5.4.11 荧光性质测试92
• 5.5 结果与讨论92-105
• 5.5.1 化合物TtGC、TtLPC和TtDPC的胶凝行为研究92-94
• 5.5.2 凝胶的微观形貌研究94-95
• 5.5.3 凝胶形成的驱动力研究95-97
• 5.5.4 UV-Vis和CD光谱研究97-99
• 5.5.5 分子堆积行为研究99-101
• 5.5.6 薄膜的静态荧光光谱及传感行为研究101-105
• 5.6 本章小结105-107
• 总结107-109
• 参考文献109-129
• 致谢129-131
• 攻读学位期间的研究成果131-133

  本文关键词：还原氧化石墨烯基新型场效应晶体管和二极管的创制及其传感应用，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：257068