[发明专利]一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的快速湿度传感方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感方法，特别涉及一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜在反射耦合结构下的表面波吸收技术来对湿度进行快速检测分析的方法，属于工程技术、化学和材料领域。

背景技术

目前，传感湿度的方法主要是通过测量吸湿材料电阻变化达到传感湿度的目的。为了达到较高的灵敏度，吸湿材料一般为块状三维结构，其吸附和交换水分子需要一个较长的时间，因此这种传感器很难实现对湿度的快速检测。

石墨烯作为一种二维材料在光学、电学和化学等方面展现出了优异的性能：如透光率达到97.7%，近完全透明；电子输运速度达到光速的1/300; 热导率达到5000W·m^-1·K^-1; 比表面积高达2630 m²/g。氧化石墨烯（GO）作为石墨烯最重要的衍生物，在保留着石墨烯众多特性的同时，其表面丰富的含氧官能团使其具备良好的亲水特性，可以稳定的分散在水溶液或有机溶剂的溶液中，具有良好的吸湿性。因此，现有技术中已经存在基于氧化石墨烯薄膜的光纤湿度传感器（CN105259139A、CN205317655U），其将光纤传感结构浸入氧化石墨烯或氧化石墨烯与琼脂糖混合物的分散液中，从而可以在光纤传感器的表面均匀镀上氧化石墨烯薄膜或氧化石墨烯/琼脂糖复合薄膜，利用氧化石墨烯薄膜的吸湿膨胀和干燥溶胀的特性，其可以制成光纤光栅湿度传感器。该传感器的测量灵敏度相对于传统的传感器更高，然而石墨烯膜在吸收水分后，其需要在室温放置48小时左右进行自然干燥，以得到干燥溶胀的石墨烯，并进一步对其干涉峰强测定来得到湿度的变化曲线，其所需的测量时间过长，还是无法满足对于湿度灵敏且快速测量的目的。

本专利的申请人在之前的专利中（201611076871.7 ）提出了一种基于石墨烯表面波的高灵敏度超快折射率探测装置和方法，申请人经过研究发现，在反射耦合结构下，入射光场的一部分分量会沿石墨烯表面传播形成表面波，这种表面波在特定石墨烯厚度条件下甚至可以传播数十微米远，即石墨烯表面波。由于石墨烯层对表面波的吸收十分敏感，折射率细微的改变都将导致石墨烯对于表面吸收波快速响应和变化，因此，如果能够提供一种快速改变被测介质折射率改变的方法，能够使被测介质的折射率在瞬间发生微小的变化，从而使石墨烯对表面波的吸收发生变化，进而导致反射光强度发生相应变化，由此便可以实现对待测物体折射率的高灵敏度和快速测量。

鉴于氧化石墨烯的二维结构能够有效减少水分子吸附交换的时间，如果进一步结合石墨烯表面波吸收技术带来的灵敏折射率传感能力，则能够实现快速的湿度检测。这在人工智能、工程技术等领域有着潜在的应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在无法实现湿度的快速、灵敏测量的问题，本发明提供了一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜在反射耦合结构下的表面波吸收技术来对湿度进行快速检测分析的方法。通过对石墨烯薄膜的表面进行化学改性以形成氧化石墨烯/石墨烯复合薄膜，该复合薄膜同时具备氧化石墨烯对水分子良好的吸附性以及石墨烯对于表面吸收波快速响应和变化特性，因而可以提高复合薄膜表面对水分子的吸附交换速度，并增强其折射率传感灵敏度，从而实现湿度快速、灵敏的测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感方法，所述方法包括，

1）制备基于石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜的湿度传感器，其中所述湿度传感器自下而上依次为耦合棱镜、透明基底、结合至基底表面的石墨烯膜、以及位于石墨烯膜表面的氧化石墨烯膜；其中上层的氧化石墨烯薄膜用于快速吸附待测湿度环境中的水分，而下层的石墨烯层则用来反映入射光的表面吸收波变化，这是由于这种复合薄膜结构才能同时实现对于水分的吸附以及对于表面波的吸收，进而实现了基于折射率的湿度测量；

2）光学系统搭建：利用光束照射并依次通过湿度传感器的耦合棱镜和透明基底，并在石墨烯/氧化石墨烯复合薄膜上形成探测区域，然后将反射的光束经过依次经过偏振分光、光电转换以及电压信号收集装置，以将携带有折射率信息的反射光信号转变为电压信号进行存储；