[发明专利]基于二维材料的杂化分级结构敏感薄膜传感器件制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器和敏感电子学领域，具体涉及一种基于二维材料还原氧化石墨烯与氧化锌的杂化分级结构敏感薄膜的气体传感器件及其制备方法。

背景技术

近年来，以石墨烯为主的新型二维层状纳米材料因其独特的结构特点，在电、热、光、力等方面表现出许多独特的性质，在国际上迅速引起了广泛的关注。二维材料所具有的大比表面积、良好的半导体特性和低电子噪声等特点，使其对周围环境十分敏感，对于气体传感器的发展带来了新的机遇。

在气体传感器领域应用的石墨烯可以通过剥离法或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)生长制备而成，但机械剥离法得到的石墨烯产物尺寸不容易控制，产量也较低；CVD方法可获得大面积、均匀生长的石墨烯薄膜，但作为气体敏感材料时由于石墨烯本身热能不足以克服气体脱附所需能量而恢复性较差。还原氧化石墨烯除具有和石墨烯相同的性质外，还具有亲水性、适于溶液成膜方式，制备工艺简单，同时，溶液分散的氧化石墨烯也可以和聚合物或金属/金属氧化物形成复合材料体系。因此，还原氧化石墨烯在气体敏感领域也被广泛采用。

同时，由于单一的石墨烯作为敏感材料也缺乏特异性，各种气体分子都有可能引起其电学性能的变化，因此，通过对石墨烯进行功能化复合可以有效解决这个问题，并且对气敏性能也具有一定程度的增强作用。尤其是金属氧化物纳米材料，与石墨烯复合后可进一步增大比表面积，加快气体传输进程，此外，金属氧化物表面的电子耗尽层对于气体分子的吸附过程也具有促进作用。在金属氧化物纳米材料中，氧化锌因具有良好的半导体性、电化学稳定性以及对气体敏感等特点也被广泛应用在气体敏感领域。

目前，还原氧化石墨烯与氧化锌的复合敏感材料薄膜的制备方法主要采用水热法结合滴涂或旋涂成膜工艺、气喷成膜工艺制备分层薄膜和和电化学方法沉积方法等，通过这些方法制备的气体敏感器件对丙酮、二氧化碳和过氧化氢表现出了一定的敏感性能，但可检测气体浓度均大于5ppm，气敏性能有待进一步提高，有些气体敏感器件还需高温工作条件。如新疆大学Jianjiang He等人在论文“Reduced graphene oxide anchored with zinc oxide nanoparticles with enhanced photocatalytic activity and gas sensing properties”(The Royal Society of Chemistry Advances，2014，4，60253‐60259)中采用氧化石墨烯和醋酸锌作为前 驱体，通过两步水热催化方法制备了还原氧化石墨烯‐氧化锌纳米颗粒复合材料，将其分散于乙醇溶液然后滴涂于三氧化二铝衬底的铂电极上，所制备的器件在260℃温度条件下对5‐1000ppm浓度的丙酮表现出一定的响应性能，但该器件需要的高温工作条件，无法实现室温条件下对丙酮气体的低浓度检测。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供了一种基于二维材料的杂化分级结构敏感薄膜传感器件制备方法；该方法采用层层自组装方法制备的基于还原氧化石墨烯/氧化锌的杂化分级结构气体敏感器件，利用二维材料比表面积大的特点，通过与分级结构氧化锌的复合有利于气敏性能的提高，且制备工艺简单、成本低。

其特征在于：(1)所述敏感薄膜采用氧化石墨烯作为主要敏感材料；(2)所述敏感薄膜采用具有分级结构的氧化锌对还原的氧化石墨烯进行复合；(3)所述敏感薄膜采用层层自组装方法制备；(4)所述敏感薄膜具有杂化分级结构；(5)所述敏感器件可实现对低浓度有毒有害气体的有效检测。

上述基于层层自组装方法制备的基于二维材料还原氧化石墨烯与氧化锌的杂化分级结构敏感薄膜的气体传感器件具有以下几个特点：

(1)采用层层自组装方法、利用静电力结合的方法制备的敏感薄膜，具有良好的均匀性；通过控制沉降/提拉速度和浸泡时间可控制自组装薄膜的厚度；该方法制备工艺简单，重复性好；

(2)氧化石墨烯具有大比表面积、低电子噪声和良好半导体性质等优点，此外，充分利用氧化石墨烯带负电的特性，可获得二维材料自组装薄膜，其方法简单、均匀性好；

(3)具有分级结构的氧化锌相比于普通氧化锌材料具有更大的比表面积和更多的气体吸附位，适用于气体传感器领域；