一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法

本发明属于半导体气体传感器，具体的说，是涉及一种用于检测氨气的气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、氨气(nh3)是一种无色、具有刺激性的有毒易燃气体，是一种常见的空气污染物，其极易对人的眼睛和呼吸道黏膜造成刺激和伤害。在环境监测、汽车行业、化学工业、医疗健康等领域，氨气的检测尤为关键：在雾霾治理中，需要检测大气中的氨气浓度以减少二次颗粒物的形成；汽车行业中，空调系统需要检测车内氨气浓度以优化空气质量，排气系统也需要检测并控制氨气喷射量以对尾气进行选择性催化还原；化肥厂和制冷行业中使用的几乎都是纯氨气，必须实时监测氨气是否泄漏以保证工人的生命安全；医学领域中，通过非入侵式检测人类呼出气体中的氨气浓度，以实现其与肾脏病变的关联诊断。因此，高性能氨气传感器不可或缺，同时对于氨气传感器的小型化与轻量化、能耗、响应度、灵敏度、耐久性等性能都提出了更高的要求。目前，广为研究的氨气气敏材料主要是金属氧化物半导体，但它们基本上都需要在高温(150-300℃)下工作。而由于对器件寿命的影响，高温不仅会缩短传感器的使用寿命，而且高温的产生本身会大幅增加器件的功耗和成本，同时由于在易燃易爆类气体环境下的使用限制，使其应用范围受到了很大的限制。

2、石墨烯因其优异的室温导电性、极大的比表面积(2630m2g-1)、低电子噪声等优点，近年来作为气敏材料备受关注，为降低半导体型气体传感器的工作温度提供了非常大的可能性。由于其狄拉克锥形的能带结构，即使气体吸附后与石墨烯有少量的电荷转移，也会使得电导出现显著变化。且石墨烯作为一种二维材料，与现代的平面微纳加工工艺兼容，可以制备出高密度的气体传感器阵列，通过单次测量即可达到多次测量的结果，大大提高了传感效率，节省了测试时间。并且阵列型器件受不确定因素的影响较小，具有良好的稳定性。外延石墨烯是在sic衬底上经1000℃以上的高温条件获得的，对于生长设备和衬底的要求都很高，这无疑增加了石墨烯的制备成本，且其缺陷含量较低，难以提供大量供气体分子吸附的高能位点。化学气相沉积法(cvd)制备的石墨烯在制备传感器件应用的过程中，难以避免转移过程中引入的杂质污染，这些杂质会严重影响到石墨烯的电子学性质，并覆盖石墨烯表面的气体吸附位点，在传感器应用中仍有弊端。

3、还原氧化石墨烯(rgo)与本征石墨烯相比，由于本身含有的缺陷、含氧官能基团等可以作为气体分子吸附的高能位点，是一种极具潜力的气敏材料；且其原料经济、制备简易、可大规模生产。由于rgo表面搭载了多种含氧基团，为通过调节表面基团的种类和数量提高其敏感性能提供了极大的可能性。同时rgo在溶剂中可以分散，便于在其表面进行功能化修饰。

4、现有的基于rgo材料的氨气传感器，存在响应和恢复时间长、长期稳定性差、检测下限较高的缺点。一些通过贵金属纳米颗粒修饰rgo作为气敏材料的氨气传感器，也存在修饰过程复杂费时、难以在室温下实现高响应的缺点。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现阶段氨气传感器存在的共性问题，提供一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，能够得到响应时间短、检测下限低的氨气传感器，其具有优异的长期稳定性和选择性，且制备工艺简便，能够在工业、环境监测和医疗等领域开展实际应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；所述气敏传感层为热还原氧化石墨烯薄膜；所述气敏传感层与所述电极层采用直接叠放接触的方式相连接；所述电极层通过金属引线连接至测试装置，所述测试装置通过测量电阻信号实现对氨气浓度的检测。

4、进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜经部分还原后表面仍含有含氧官能团。

5、进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜平整分布，且表面无褶皱。

6、进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜为非团聚形态。

7、进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1-10纳米。

8、优选地，所述电极层由光刻设备先进行图案化，随后利用薄膜沉积设备沉积金属电极制备。

9、其中，光刻设备可以采用激光直写仪；薄膜沉积设备可以采用电子束蒸镀设备；金属电极包括具有一定间隔的源、漏电极及栅极，材料可以为cr/au。

10、优选地，所述绝缘介质层为氧化铝。

11、优选地，所述衬底支撑层为带氧化层的硅片。

12、根据本发明的另一个方面，提供了一种上述基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，包括如下制备过程：

13、(1)将氧化石墨烯溶液旋涂于衬底上；

14、(2)通过图形化微纳工艺使得所述氧化石墨烯溶液在沟道区域内形成氧化石墨烯薄膜；

15、(3)将所述衬底上的所述氧化石墨烯薄膜进行热还原。

16、进一步地，步骤(1)中所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mg/ml。

17、进一步地，所述热还原氧化石墨烯薄膜的长度在3-60微米，因此步骤(2)中所述沟道区域宽度为5-50微米，使其与材料尺寸适配。

18、进一步地，步骤(3)中所述加热还原的温度为100-350℃，加热时间为1-2小时；气体环境为氩气、氮气、真空中的一种。

19、其中，为了创造高度隔绝氧气的环境，以防止热还原过程中碳原子流失造成的缺陷，需要对加热环境进行真空预抽和氩气冲洗过程。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明以热还原氧化石墨烯为气敏材料，其在衬底上平整分布，表面无褶皱，非团聚的形态有利于气体分子的扩散。氨气传感过程中充分利用rgo中残留含氧官能团作为氨气分子的吸附位点。与传统的金属氧化物气体传感器相比，无需额外加热器，功耗更低，且便于在易燃易爆气体环境中使用。此氨气传感器具有很短的响应时间、较低的检测下限和良好的长期稳定性。

22、本发明的氨气传感器采用旋涂氧化石墨烯稀溶液的方式将传感膜附在衬底上，操作简单，加工性好，有利于在不同形状的电极上进行加工，解决了传统气体传感器需要高温烧结，加工复杂的问题。

23、本发明在氨气吸附后，并不需要高温加热、紫外线照射等任何额外的处理方法，传感器电阻即可恢复至初始值，恢复周期短，有利于氨气传感器在实际应用中的的长期重复性工作。

24、本发明制备工艺简便，石墨烯洁净免受光刻胶的污染。产品可靠性强，易实现工业化生产，可实现工农业、生产生活等领域中对氨气的快速可靠监测。

技术特征：

1.一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；其特征在于，所述气敏传感层为热还原氧化石墨烯薄膜；所述气敏传感层与所述电极层采用直接叠放接触的方式相连接；所述电极层连接至测试装置，所述测试装置通过测量电阻信号实现对氨气浓度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜经部分还原后表面仍含有含氧官能团。

3.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜平整分布，且表面无褶皱。

4.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜为非团聚形态。

5.根据权利要求1所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，所述热还原氧化石墨烯薄膜的厚度为1-10纳米。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下制备过程：

7.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.1-1mg/ml。

8.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述沟道区域宽度为5-50微米。

9.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述加热还原的温度为100-350℃，加热时间为1-2小时；气体环境为氩气、氮气、真空中的一种。

10.根据权利要求5所述的一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)之前对加热环境进行真空预抽和氩气冲洗。

技术总结
本发明属于半导体气体传感器技术领域，公开了一种基于热还原氧化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，氨气传感器包括衬底支撑层、绝缘介质层、电极层和气敏传感层；其中气敏传感层为热还原氧化石墨烯薄膜；其制备过程为先将氧化石墨烯溶液旋涂于衬底上；然后通过图形化微纳工艺使得氧化石墨烯溶液在沟道区域内形成氧化石墨烯薄膜；最后将衬底上的氧化石墨烯薄膜进行热还原。本发明能够得到响应时间短、检测下限低的氨气传感器，其具有优异的长期稳定性和选择性，且制备工艺简便，能够在工业、环境监测和医疗等领域开展实际应用。

技术研发人员：马雷,肖雪,靳炜,唐曹,马彦青
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16