一种石墨烯湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯湿度传感器及其制备方法，石墨烯湿度传感器包括SiO2/Si衬底，所述SiO2/Si衬底上设置有等离子体改性的石墨烯，所述等离子体改性石墨烯两端设有平行的金属电极，所述等离子体改性石墨烯为单层或少层石墨烯。制备方法主要包括如下步骤：在所述SiO2/Si衬底上制备石墨烯；通过电子光束曝光法和金属薄膜沉积技术在石墨烯两端沉积两个平行的金属电极；通过等离子体改性调控石墨烯状态。本发明专利技术具有响应速度快、灵敏度高的优点而且有助于实现湿度传感器的小型化和集成化。而且有助于实现湿度传感器的小型化和集成化。而且有助于实现湿度传感器的小型化和集成化。

A graphene humidity sensor and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯湿度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种传感器件及其制备方法，尤其涉及一种响应速度快、灵敏度高的石墨烯湿度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]湿度传感器是利用湿度敏感材料测量湿度的一种传感器，在食品保健、环境监测、工农业生产等领域均有广泛应用，响应速度和灵敏度是湿度传感器的两个重要参数，现有的湿度传感器，不能同时兼顾响应速度快和灵敏度高，严重限制了湿度传感器的应用范围，湿度敏感的大型设备在运行时，快速、灵敏的反馈湿度对于保护设备正常运行起着非常重要的作用，因此亟需一种快速响应、高灵敏度的湿度传感器。
[0003]二维层状材料石墨烯是新一代微电子和光电子器件的基础材料，其具有原子级的厚度和超高的比表面积，为器件的掺杂与功能化提供了平台。二维层状材料器件性能显著受表面特性和缺陷的影响，这也决定了器件性能容易受表面工程的调控。因此，通过对二维层状材料的层数、缺陷和界面调控可以有效地调节材料的电学和光学性质，以实现获得高性能器件的最终目标。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种响应速度快、灵敏度高的石墨烯湿度传感器；本专利技术的另一目的是提供该湿度传感器的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述的石墨烯湿度传感器包括SiO2/Si衬底，所述SiO2/Si衬底上设置有等离子体改性的石墨烯，所述等离子体改性石墨烯两端设有平行的金属电极，所述等离子体改性石墨烯为单层或少层石墨烯，所述等离子体包括氧和氩等离子体。
[0006]进一步地，所述SiO2/Si衬底包括50
‑
300nm厚的SiO2和置于其下侧的电阻率小于0.01Ω
·
cm的Si。
[0007]进一步地，所述等离子体改性参数：功率10
‑
200W，压强5
‑
100Pa，时间2
‑
200s。
[0008]进一步地，所述金属电极选用金、镍或铂。
[0009]进一步地，给所述等离子体改性石墨烯两端施加0.1
‑
5V的电压，测量不同湿度下的电学信号变化，对比石墨烯电阻的大小，得到湿度和响应时间信息。
[0010]所述石墨烯湿度传感器的制备方法包括如下步骤：
[0011]S1：在所述SiO2/Si衬底1上制备石墨烯；
[0012]S2：通过电子光束曝光法和金属薄膜沉积技术在石墨烯两端沉积两个平行的金属电极；
[0013]S3：通过等离子体改性调控石墨烯状态。
[0014]进一步地，制备石墨烯采用微机械剥离法或化学气相沉积法。
[0015]工作原理：不同状态的石墨烯对湿度的响应程度不同，对于本征石墨烯，其表面水分子的吸附可充当受主吸附电子，使其电阻随湿度增大而减小，响应速度较快但是灵敏度
较低；通过等离子体改性，可在石墨烯中引入缺陷，使石墨烯产生P型掺杂，对于含缺陷的石墨烯，水分子可吸附在含氧官能团及空位缺陷上，充当施主提供电子，使石墨烯电阻增加，经过等离子体改性的石墨烯湿度传感器不仅灵敏度大幅提升，而且保留了较快的响应速度。
[0016]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有如下显著优点：响应速度快、响应时间在毫秒级别，灵敏度高、最高可达107％，而且石墨烯的二维层状结构有助于实现湿度传感器的小型化和集成化。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的结构示意图；
[0018]图2为氧等离子体改性后传感器的响应时间特性曲线；
[0019]图3为氧等离子体改性后传感器对湿度的响应特性曲线。
具体实施方式
[0020]下面结合附图及实施方法对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0021]如图1所示，本专利技术所述的石墨烯湿度传感器包括SiO2/Si衬底1，所述SiO2/Si衬底1包括50
‑
300nm厚的SiO2和置于其下侧的电阻率小于0.01Ω
·
cm的Si，所述SiO2/Si衬底1上通过机械剥离的方法制备有石墨烯，通过电子光束曝光法和金属薄膜沉积技术在石墨烯两端沉积两个平行的金属电极3，所述石墨烯通常是单层或3
‑
10层少层石墨烯，所述金属电极3的材料选择金、镍或铂，电源提供的电压范围为0.1
‑
5V，通过等离子体轰击石墨烯对其进行调控，改性后的石墨烯2既具备响应速度快又具备灵敏度高的特点，等离子体改性参数：功率10
‑
200W，压强5
‑
100Pa，时间2
‑
200s，等离子体包括氧等离子体和氩等离子体。
[0022]本专利技术所述的石墨烯湿度传感器的制备方法如下：
[0023]S1：通过机械剥离的方法将单层石墨烯制备在氧化层厚度为285nm的SiO2/Si衬底上，Si的电阻率小于0.01Ω
·
cm；
[0024]S2：通过电子束曝光法和金属薄膜沉积技术在石墨烯两端沉积两个平行的电极，电极宽1.5μm，厚50nm，材料选择金；
[0025]S3：用功率30W、压强10Pa的氧等离子体处理石墨烯50s；
[0026]给等离子改性的石墨烯两端电极施加1V的电压，测量不同湿度下的电学信号变化，对比石墨烯电阻的大小，得到湿度信息。
[0027]本专利技术所述的石墨烯湿度传感器的另一种制备方法如下：
[0028]S1：通过机械剥离的方法将单层石墨烯制备在氧化层厚度为300nm的SiO2/Si衬底上，Si的电阻率小于0.01Ω
·
cm：
[0029]S2：通过电子束曝光法和金属薄膜沉积技术在石墨烯两端沉积两个平行的电极，电极宽1.5μm，厚50nm，材料选择金；
[0030]S3：用3功率30W、压强10Pa的氧等离子体处理石墨烯50s；
[0031]给等离子改性的石墨烯两端电极施加2V的电压，测量不同湿度下的电学信号变化，对比石墨烯电阻的大小，得到湿度信息。
[0032]综上所述，给等离子体改性的石墨烯两端电极施加不同的电压，测量不同湿度下
的电学信号变化，对比石墨烯电阻的大小，得到湿度特性曲线和响应时间特性曲线如图2、图3所示，其中，如图2所示为氧等离子体改性50s后的石墨烯湿度传感器的湿度响应，响应时间在ms级，展示了较快的响应速度，如图3所示为氧等离子体改性50s后的石墨烯湿度传感器电阻的湿度依赖特性，近乎线性的依赖关系说明电阻和湿度具有良好的相关性，最高灵敏度可达107％。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯湿度传感器，其特征在于：包括SiO2/Si衬底(1)，所述SiO2/Si衬底(1)上设置有等离子体改性的石墨烯(2)，所述等离子体改性石墨烯(2)两端设有两个平行的金属电极(3)，所述等离子体改性石墨烯(2)为单层或少层石墨烯。2.根据权利要求1所述的石墨烯湿度传感器，其特征在于：所述SiO2/Si衬底(1)包括SiO2和置于其下侧的Si衬底。3.根据权利要求1所述的石墨烯湿度传感器，其特征在于：所述等离子体包括氧等离子体和氩等离子体。4.根据权利要求1所述的石墨烯湿度传感器，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪振华，白琳，王文辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：