超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器

本发明属于微机电传感器，具体的说，是涉及一种以石墨烯为传感材料，并利用微纳加工技术制备的高性能no2气体传感器。

背景技术：

1、no2是一种空气污染物，主要来源于化石和生物质燃料的燃烧，这些空气中的no2不仅会造成光化学污染，还会造成硝酸型酸雨，对人类的生产生活造成破坏。此外，no2还会威胁人类的身体健康，人体吸入低浓度的二氧化氮气体最初可能导致轻微的呼吸急促，当浓度较高时(＞10ppm)则会出现恶心、头疼和呼吸困难等现象，严重的还会伴有肺水肿等疾病的发生甚至会造成死亡，因此监测环境中的no2含量对人类来说至关重要。

2、气体传感器是一种检测环境中某种气体含量的电子设备，现如今随着科技的发展，气体传感器发挥着越来越重要的作用，其中包括污染排放的控制和空气质量的监测，而no2气体传感器就是空气质量监测系统中的重要组成部分。现阶段no2气体传感器的传感材料一般是氧化锡等金属氧化物，这主要是因为其响应度比较高并且制备成本较低。但大部分金属氧化物传感器的工作温度都比较高，造成较高能耗并限制其使用环境。此外，金属氧化物在传感器工作过程中由于温度过高还会发生结构变化，影响传感器的稳定性。

3、近年来，石墨烯因在电学、热学和力学等诸多方面表现出优异性能受到广泛关注。作为单原子层材料，石墨烯的每一个原子都暴露在周围环境中，具有巨大的比表面积(100％)。这意味着石墨烯是一个很好的平台，我们可以通过对表面进行一些特异性修饰来提高其对气体检测的响应特性。石墨烯还具有极好的导电性和低电子噪声，这些性能的结合有望让石墨烯在气体传感领域得到进一步地应用。此外，高质量的石墨烯一般缺陷较少，化学性质稳定，因此气体分子大多以物理吸附的形式附着在石墨烯上，这样传感器的性能会更加稳定。cvd法因制备成本低、易于大规模生产较高质量的石墨烯，且与现代半导体加工工艺兼容性好，被认为是最满足实际应用的制备方法。

4、然而，随着cvd石墨烯no2气体传感器的研究越来越多，其面临的解吸困难和响应速度慢等问题也逐渐暴露。针对解吸困难这一问题，目前主要的解决办法是加热或紫外光辅助，但是加热一方面造成不必要的能耗，另一方面如果传感器工作环境中有易爆气体时容易发生危险。相较而言紫外光能耗更低，可以在室温下工作，是更为理想的解吸手段。对于响应速度慢这一问题的解决方法相对来说报道较少，大部分cvd石墨烯基no2气体传感器的响应时间在100s以上，与现阶段实际应用中传感器的响应时间还有一定的差距。

技术实现思路

1、本发明要解决的是石墨烯基室温no2气体传感器响应速度慢的技术问题，提供了一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器。本发明利用紫外光调控敏感膜辅助no2传感，紫外光可以提高石墨烯的费米能级，增加石墨烯与no2的吸附能，从而提高响应速度；该传感器能够在室温下实现对no2的超快响应，对2-20ppm no2的响应时间均在5s以下并且具有良好的稳定性。

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、本发明提供了一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，从下至上依次包括绝缘衬底、电极、介质层和石墨烯敏感层；所述石墨烯敏感层经紫外光调控进行no2传感，所述紫外光的波长为250～300nm，光功率密度为10～100mw/cm2。

4、进一步地，所述石墨烯敏感层在紫外光调控作用下，石墨烯的费米能级升高，从而增加no2与石墨烯间的吸附能，使单位时间吸附在石墨烯表面的no2分子增多，进而提升传感器对no2的响应速度，实现响应时间小于5s；所述响应时间是指通入no2后传感器电阻达到最大变化量的60％时所需要的时间。

5、进一步地，所述绝缘衬底为氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种。

6、进一步地，所述电极层由金、铜、铬、钼中的其中一种制备。

7、进一步地，所述介质层为氧化铝、氧化铪、氧化硅中的一种。

8、进一步地，所述介质层的厚度在10nm～300nm。

9、进一步地，所述石墨烯敏感层为外延石墨烯、机械剥离石墨烯、还原氧化石墨烯、化学气相沉积石墨烯中的一种。

10、本发明的有益效果是：

11、本发明的超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，通过只引入紫外光且没有任何其他修饰手段的方法来实现快速响应。紫外光不仅可以促进解吸，对吸附过程也有不小的影响。这主要是因为紫外光可以清洁样品表面，从而增加吸附位点。石墨烯由于受衬底电子掺杂的影响，当表面无任何杂质或气体吸附时其本应呈现出n型半导体特性，但石墨烯表面特别容易吸附水氧分子，从而失去电子转变为p型半导体。紫外光在清洁石墨烯表面的同时，也在改变石墨烯的电子性质，因为水氧等一些小分子的解吸会使石墨烯空穴浓度减少，导致石墨烯的p型掺杂程度减弱，当大量的水氧分子解吸时，石墨烯从p型转变为n型，但这需要紫外光的能量和功率密度都比较高时才能实现。事实上，在使用远紫外光对石墨烯进行调控时，随着光功率密度的提高，石墨烯的费米能级一直在升高，而费米能级的升高会增加no2与石墨烯间的吸附能，使单位时间吸附在石墨烯表面的no2分子增多，提升其对no2的响应速度。

12、可见，本申请利用特定波长和光功率密度的远紫外光提升石墨烯的费米能级，能够增加no2与石墨烯间的吸附能，进而提升传感器对no2的响应速度，获得具有超快响应的室温石墨烯基no2传感器。

技术特征：

1.一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，从下至上依次包括绝缘衬底、电极、介质层和石墨烯敏感层；所述石墨烯敏感层经紫外光调控进行no2传感，所述紫外光的波长为250～300nm，光功率密度为10～100mw/cm2。

2.如权利要求1所述的一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，所述石墨烯敏感层在紫外光调控作用下，石墨烯的费米能级升高，从而增加no2与石墨烯间的吸附能，使单位时间吸附在石墨烯表面的no2分子增多，进而提升传感器对no2的响应速度，实现响应时间小于5s；所述响应时间是指通入no2后传感器电阻达到最大变化量的60％时所需要的时间。

3.如权利要求1所述的一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，所述绝缘衬底为氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种。

4.如权利要求1所述的一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，所述电极层由金、铜、铬、钼中的其中一种制备。

5.如权利要求1所述的一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，所述介质层为氧化铝、氧化铪、氧化硅中的一种。

6.如权利要求1所述的一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，所述介质层的厚度在10nm～300nm。

7.如权利要求1所述的一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，其特征在于，所述石墨烯敏感层为外延石墨烯、机械剥离石墨烯、还原氧化石墨烯、化学气相沉积石墨烯中的一种。

技术总结
本发明属于微机电传感器技术领域，公开了一种超快响应室温石墨烯基二氧化氮传感器，从下至上依次包括绝缘衬底、电极、介质层和石墨烯敏感层；石墨烯敏感层经紫外光调控进行NO<subgt;2</subgt;传感，紫外光的波长为250～300nm，光功率密度为10～100mw/cm<supgt;2</supgt;。本发明利用紫外光调控敏感膜辅助NO<subgt;2</subgt;传感，紫外光可以提高石墨烯的费米能级，增加石墨烯与NO<subgt;2</subgt;的吸附能，从而提高响应速度。这种基于紫外光辅助照射下的石墨烯基气体传感器可在室温下实现对NO<subgt;2</subgt;的超快响应，对2‑20ppm NO<subgt;2</subgt;的响应时间均在5s以下并且具有良好的稳定性。

技术研发人员：马雷,靳炜,唐曹,肖雪,史成乾,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：2024/1/15