一种使用高能激光制备石墨烯气体传感器的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的新型气体传感器。所述气体传感器中，以微型平整石墨基板为基础材料，通过高能激光加工手段，沿设计的路径进行加工，将加工路径中的石墨转化为石墨烯或其衍生物，加工路径之外的石墨不发生变化，加工后的结构构成一个气体传感器；其中石墨部分作为电极与外部电路相连，石墨烯部分作为气体测量单元进行气体浓度传感；其主要的工作机理是石墨烯或其衍生物在吸附气体后，电阻数值会发生变化，通过外置电路测量电阻阻值的改变量，可以得到气体浓度信息。所述气体传感器体积小、重量轻、制作方便、能够批量生产、与外部电路连接容易、可以集成在大规模集成电路中，在消费电子领域会产生极大的价值。在消费电子领域会产生极大的价值。在消费电子领域会产生极大的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种使用高能激光制备石墨烯气体传感器的方法


[0001]本专利技术属于气体传感器领域，更具体地，涉及一种利用高能激光制备出石墨烯或其衍生物，并用来进行气体传感。

技术介绍

[0002]电子气体传感器被广泛应用在工业生产、日常生活以及科学研究领域，其中的半导体电阻式传感器使用简单、控制方便，是应用最广泛的气体传感器之一。伴随消费电子领域的快速发展，越来越多的气体传感器被植入一些终端设备以获取环境、健康相关的更多数据，这要求气体传感器要小型化、集成化，并且能够批量化生产，降低器件的成本。
[0003]石墨烯是一种二维碳材料，石墨烯最早从胶带上进行剥离的，随后包括液相法，化学气相沉积法、火焰合成法、脉冲激光法等方法被开发出来。其中，脉冲激光法与气相沉积法类似，是用激光脉冲气化碳原子，再从基底上生长的方法。近年来，已经有工作证明高能激光可以使钻石转化为石墨烯、将石墨直接剥离成石墨烯。
[0004]石墨烯以及其衍生物在气体传感器上的应用是近年来的研究热点。作为气体传感器的传感材料，石墨烯主要有以下优势：第一，石墨烯具有非常大的比表面积(2630m2/g，单层石墨烯)，意味着其对气体有非常强的吸附能力；其次，石墨烯与环境之间是范德瓦尔斯力与共价键的弱平衡，气体吸附引起的扰动会干扰电子系统；第三，石墨烯有最低的电导率；第四，少量的额外电子能引起石墨烯电导率的明显变化。基于以上原因，石墨烯是非常适合作为气敏材料的功能材料。并且已经有石墨烯相关的气体传感器在有毒和爆炸性气体监测上进行了应用。
[0005]但是，基于石墨烯的气体传感器开发也面临许多问题。主要问题有：第一，高质量的石墨烯往往通过化学气相沉积法生长，成本高昂；第二，石墨烯转移困难，容易出现褶皱，很难做到标准化转移；第三，与外部电路连接困难，集成化代价高昂，需要为石墨烯设计单独的电极，当器件尺寸极小时，往往需要大型半导体加工设备进行电极制备，成本极高，且不能够大量生产。
[0006]针对市场需求大的石墨烯气体传感器面临的制备复杂、难以标准化生产、难以低成本的与电路集成等缺陷，本专利技术提出了一种使用高能激光，在石墨基板上制备石墨烯及其衍生物的同时，将石墨作为电极，利用石墨烯及其衍生物进行气体传感的技术方法。由于在高能加工过程已经解决了气体传感器中气敏材料石墨烯制备和制备电极并紧密连接的问题，使得本专利技术所提出的气体传感器具有制备方法简单、可以进行大批量生产、低成本的制备电极和易于电路集成等优点。基于以上认识，本申请提出的新型石墨烯气体传感器是一种显著的技术进步。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种利用高能激光在石墨基板上制备石墨烯及其电极并用来进行气体传感的技术方案。
[0008]本专利技术实现气体传感的基本原理是通过高能激光剥离石墨，在石墨基板上制备出石墨烯或其衍生物，并将剩余的石墨材质作为电极与外部电路相连。由于石墨烯及其衍生物在吸附气体后，电阻会发生较大变化，实验中可以通过连接石墨电极，测量整个器件的电阻，来对待测气体的浓度进行测量。
[0009]本专利技术的气体传感器主要构成部分包括石墨基板载体，高能激光沿一定加工路径制备的石墨烯或其衍生物，未加工部分导电性良好的石墨形成的电极。
[0010]所述的气体传感器的气敏材质是高能激光加工石墨过程产生的石墨烯及其衍生物。
[0011]所述的石墨基板为石墨块体裁剪而成，或者石墨粉末压制而成，形状可以是任意形状，其大小通常为数平方微米至数十平方厘米，其表面平整，整体质地相对均匀。
[0012]所述高能激光加工方式是指聚焦或者非聚焦大功率激光加工方式，光源可以是大功率激光、短脉冲激光等高能量激光。
[0013]所述的一定加工路径是指能使外置电路测量的石墨基板电阻改变的任意加工路径，可以是点、直线、曲线；使用高能激光，沿这种加工路径加工后，表面生成的石墨烯或其衍生物，会改变石墨基板的电阻，使外置电极测量的电阻数值改变。
[0014]所述气体传感器在飞秒激光加工中留出部分石墨当作电极，外置电路与石墨基板的石墨电极连接后，外置电路可以测量石墨基板的电阻变化，获取石墨基板所处环境中的气体浓度信息。
[0015]所述气体传感器中的待测气体是指能被石墨烯或其衍生物吸附并改变吸附介质电阻的气体，这些气体包括并不限于以下几种：水蒸气、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、臭氧，还包括一些常见气体浓度相关的概念，如环境湿度，相对湿度等。
[0016]所述气体传感器的制备可以在真空下进行，也可以在空气中，水中或其他介质中制成。在真空中主要得到石墨烯，在水中主要得到氧化石墨烯，在其他介质中也可以生成其他石墨烯衍生物。
[0017]作为优选方案，所述的高能激光可以是飞秒激光、纳秒激光以及其他高功率激光。
[0018]作为优选方案，所述的加工路径可以是点阵、线条构成的阵列、曲线。
[0019]作为优选方案，所述的石墨烯衍生物可以是氧化石墨烯、氧化还原石墨烯等。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的石墨烯气体传感器，带来的有益效果是：
[0021](1)所述的石墨烯气体传感器中，石墨烯或其衍生物是通过高能激光与石墨反应一步法生成，制备方法简单。
[0022](2)所述的石墨烯气体传感器中，石墨烯或其衍生物与工作电极一起制备，节省了转移石墨烯，制备石墨烯电极的工序，成本低廉。
[0023](3)所述的石墨烯气体传感器中，电极由石墨基底构成，可以方便的与外部电路连接，便于与电路集成。
[0024](4)所述的石墨烯气体传感器大小可以有数平方微米至数十平方厘米，适用于构成小型化设备，应用于消费电子领域。
附图说明
[0025]图1是实施例1提供的石墨烯气体传感器的具体实施方案；
[0026]图2是实施例2提供的石墨烯气体传感器的具体实施方案；
[0027]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0028]1‑
电极正极、2
‑
石墨基板、3
‑
第一条高能激光的加工路径、4
‑
制备的石墨烯或其衍生物、5
‑
第n条高能激光的加工路径、6
‑
电极负极、7
‑
高能激光的加工点位、8
‑
第k个高能激光加工的点位。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0030]实施实例1：
[0031]1)制备方形石墨基板。
[0032]2)使用高能激光，沿直线加工路径制备石墨烯或其衍生物。
[0033]3)重复第二步，加工至第n条加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型气体传感器，其特征在于：使用石墨作为基板，利用高能激光加工方式，沿着一定路径加工，将石墨转化为石墨烯或其衍生物，利用石墨烯或其衍生物作为传感器的气体敏感单元，利用石墨基板作为电流的导体，通过外部电路测量石墨烯或其衍生物在吸附气体后，整体电阻的变化，获取气体浓度信息。2.如权利1所述的新型气体传感器，其特征在于：所述气体传感器中的气敏材质是高能激光加工石墨过程产生的石墨烯及其衍生物。3.如权利1至2所述的新型气体传感器，其特征在于：所述的石墨基板为石墨块体裁剪而成，或者石墨粉末压制而成，形状可以是任意形状，其大小通常为数平方微米至数十平方厘米，其表面平整，整体质地相对均匀。4.如权利1至3所述的新型气体传感器，其特征在于：所述高能激光加工方式是指聚焦或者非聚焦大功率激光加工方式，光源可以是大功率激光、短脉冲激光等高能量激光。5.如权利1至4所述的新型气体传感器，其特征在于：所述的一定加工路径是指能使外置电路测量的石墨基板电阻改...

【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，王小牛，王莹，侯世坤，康佳宁，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：