一种基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法，属于石墨烯传感器的制备领域。为了解决现有技术制备的石墨烯传感器制备技术存在石墨烯形状与尺寸难以控制、制成的石墨烯传感器性能不一致，且不利于微纳米级石墨烯传感器集成的问题，本发明专利技术的操作步骤如下：一、石墨烯薄膜的制备；二、制备规则形状的石墨烯（包括还原氧化石墨烯和CVD石墨烯两种不同方法制备的石墨烯）；三、石墨烯的改性；四、批量石墨烯气体传感器的制备。本发明专利技术主要用于批量制备石墨烯气体传感器。该方法充分发挥了纳米软光刻技术与二维材料石墨烯的二者的优点，并且制备出的带状石墨烯传感器具有相同的性质，这为石墨烯做传感器的广泛应用与工业化奠定了基础。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于石墨烯传感器制备领域，具体涉及。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是2004年发现的一种新型碳材料,石墨烯的发现者Geim教授等人也因发现了石墨烯获得了 2010年诺贝尔物理学奖。碳原子以Sp2杂化轨道组成六边形蜂巢结构，在二维平面上碳原子未成键P轨道在整个平面上形成了大n键。这种独特的结构使石墨烯具有一系列特殊的光学、电学、力学性质。比如光学，石墨烯在可见光区域内吸收率仅为2. 3%;电学，石墨烯的电子运动速度高达IX 106m/s，远远大于电子在其它导体中的运动速度；载流子的迁移速率可达(2X IO5Cm2. V—1. s—1)，比硅快100倍，比砷化镓快20倍，且不随温度变化；力学，石墨烯是人类已知硬度最高的物质，比钻石还坚硬，比世界上最好的钢要强100倍以上。这些性质使石墨烯这些优异的性能使其在纳米电子器件、复合材料、电极材料等方面拥有广阔的应用前景。此外，由于石墨烯中的每个碳原子都暴露在表面使石墨烯的比表面积比较大容易吸附其它分子，而且石墨烯的电学性质很容易受吸附物质的影响而有所改变，这样使石墨烯是一种很好的传感器敏感材料。目前，工业与日常常用的检测气体的方法为气相色谱、金属氧化物传感器、电化学传感器。这些检测气体的方法或传感器的敏感材料都有很多缺点，气相色谱价格比较昂贵，不适宜广泛应用；金属氧化物做传感器的缺点是其操作的条件不能在室温下，而是要需要加热的，这样造成能量的浪费；电化学传感器的寿命比较短，这些缺点都正是新材料石墨烯做传感器材料可以弥补的。石墨烯是一种碳材料，简单易得，价格便宜；石墨烯做敏感材料在室温下就可以进行而不需要加热；石墨烯做气体传感器可以重复多次使用的，寿命比较长，这些优点都决定了石墨烯将成为下一代传感器敏感材料。目前，对于石墨烯做气体传感器的研究有很多，但大多都主要集中在单个传感器器件性能的研究而鲜有对于不同传感器之间的比较，来研究它们之间的性能是否相同，而这些就恰恰决定了石墨烯传感器能否广泛的应用或工业化生产，只有将石墨烯传感器的器件制作成一致的，这样才会使不同石墨烯传感器器件的性能相同，这样才会使石墨烯气体传感器广泛应用并工业化生产。
技术实现思路
为了解决现有技术制备的石墨烯传感器制备技术存在石墨烯形状与尺寸难以控制、制成的石墨烯传感器性能不一致，且不利于微纳米级石墨烯传感器集成的问题，本专利技术提供，可以批量制备形状规 贝U、相同性质的石墨烯传感器器件。本专利技术的基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法是按以下步骤完成的 一、石墨烯薄膜的制备 1、氧化石墨烯薄膜的制备将氧化石墨烯制成浓度为0.0001、. 0005g/ml的悬浮液，然后在清洗过的带300nm厚氧化膜的硅片上滴加一层氧化石墨烯悬浮液，将硅片在3(T90°C温度下干燥 IOmirTlh ； 2、CVD石墨烯薄膜的制备将以铜箔为催化剂制备的CVD石墨烯转移到带氧化层的硅片上; 二、制备规则形状的石墨烯 ①、待步骤一中硅片上的氧化石墨烯干燥后在其表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，旋涂转速为 2000r/mirTl2000r/min ； ②、将①中旋涂聚甲基丙烯酸甲酯后的硅片放在热台上加热并用带状聚二甲基硅氧烷模板压印聚甲基丙烯酸甲酯膜并在模板上施加0. 5^2N/cm2的力，压印30:90s ； ③、将②中硅片从热台上取下，在空气中放置2mirTl0min，沿带的方向揭下聚二甲基娃氧烧模板，以等离子刻蚀娃片表面，刻蚀5mirTlh ； ④、将③中的硅片以丙酮蒸汽清洗5tT20h ； 三、石墨烯的改性 1、还原氧化石墨烯的改性将步骤二中制备的带有规则带状氧化石墨烯的硅片置于管式炉中，在室温条件下将管式炉抽真空后充满惰性气体和还原性气体，将管式炉内的温度从室温加热至30(T90(TC，在30(T90(TC温度下持续加热5 50min，将温度降至室温后即可形成规则条状还原氧化石墨； 所述的还原性气体与惰性气体的体积比为I: (1飞)，其中还原性气体为氨气或氢气，惰性气体为氮气、氦气或氩气； 2、CVD石墨烯的改性将步骤二中制备的带有规则带状的CVD石墨烯硅片以热蒸镀的方式蒸镀上一层2 30nm的金属钯膜，将蒸镀带有钯膜的硅片置于管式炉中，在惰性气体氩气与还原气体氢气的保护下加热10(T800°C，并在这个温度下保持l(T60min，即在CVD石墨烯表面修饰了钯颗粒； 四、批量石墨烯气体传感器的制备 ①、将步骤三获得带有规则带状的还原氧化石墨烯以及CVD石墨烯的硅片以电极大小为500 V- mX 500 u m,电极间距为20 y m的铜制掩膜为模板利用真空镀膜机制备金/铬合金电极，沉积的电极总厚度为6(Tl00nm，其中铬层厚l(T30nm，金层厚2(T70nm ； ②、镀膜结束后，将器件放在管式炉中，在温度300°C，氩气/氢气(体积比为2/1)气氛中做退火处理使电极上的金颗粒彻底溶解，以提高电极与石墨烯之间的接触性，降低接触阻抗，这样即批量制备了基于还原氧化石墨烯以及CVD石墨烯的气体传感器。本专利技术将软印刷技术引入批量制备石墨烯传感器过程中，以聚合物聚二甲基硅氧烷为模板以氧化石墨烯悬浮液为原料，在带氧化层的硅片上制备出形状规则的带状石墨烯。该方法充分发挥了纳米软光刻技术与二维材料石墨烯的二者的优点，并且制备出的带状石墨烯传感器具有相同的性质，这为石墨烯做传感器的广泛应用与工业化奠定了基础。本专利技术具有如下优点 一、本专利技术提供了一种制备规则带状石墨烯传感器器件的新方法，制备的器件形状规则一致，提闻了石墨稀做传感器的性能； 二、本专利技术提供的批量制备石墨烯传感器器件的方法可以批量制备石墨烯传感器，有利于器件的集成； 三、本专利技术提供的氧化石墨烯还原改性的方法以及对CVD石墨烯的改性方法，这些方法所需的设备都是工业上可以提供的，这使这种制备传感器器件的方法工业化成为可能； 四、本专利技术采用了纳米软光刻技术，可以大批量的制备性质相同的石墨烯传感器，这使石墨烯传感器的应用与工业化成为了可能； 五、本专利技术中做氢气传感器采用了半导体器件测试传感性能，这种半导体传感器大大的提高了传感器的敏感度； 六、本专利技术中所用的对CVD石墨烯的掺杂改性不只适用于氢气，这种改性方式适用于很多气体，例如，二氧化氮、甲烷、一氧化碳以及一些有机挥发气体都是适用的。附图说明图I是具体实施方式一至二十二制备的规则带状石墨烯的光学显微镜照片； 图2是具体实施方式一至二十二制备的规则带状石墨烯的电子显微镜照片； 图3是CVD石墨烯掺杂钯颗粒后的电子显微镜照片； 图4是具体实施方式二十三批量制备的石墨烯传感器器件的放大40倍的电子显微镜照片； 图5是具体实施方式二十三批量制备的石墨烯传感器器件的放大200倍的电子显微镜照片； 图6是具体实施方式二十四制备的石墨烯传感器在氨气浓度为1%条件下反复测量三次的时间对电阻变化率的测试 图7是具体实施方式二十五至二十七对三个不同传感器器件随浓度逐渐增大测试的电阻变化率的测试 图8是掺杂钯颗粒的CVD石墨烯测试不同浓度的转移曲线； 图9是掺杂钯颗粒的CVD石墨烯测试不同偏压下的转移曲线； 图10是掺杂钯颗粒的CVD石墨烯测试不同偏压下通本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法，其特征在于所述方法是按以下步骤完成的 一、石墨烯薄膜的制备 氧化石墨烯薄膜的制备将氧化石墨烯制成浓度为O. 000Γ0. 0005g/ml的悬浮液，然后在清洗过的带有氧化膜的硅片上滴加ー层氧化石墨烯悬浮液，将硅片在3(T90°C温度下干燥IOmin Ih ； ニ、制备规则形状的石墨烯 ①、待步骤一中硅片上的氧化石墨烯干燥后在其表面旋涂ー层聚甲基丙烯酸甲酷，旋涂转速为 200(Tl2000r/min ； ②、将①中旋涂聚甲基丙烯酸甲酯后的硅片放在热台上加热并用带状聚ニ甲基硅氧烷模板压印聚甲基丙烯酸甲酯膜并在模板上施加O. 5^2N/cm2的力，压印3(T90s ； ③、将②中硅片从热台上取下，在空气中放置2 lOmin，沿带的方向揭下聚ニ甲基硅氧烧模板，以等离子刻蚀娃片表面，刻蚀5mirTlh ； ④、将③中的硅片以丙酮蒸汽清洗5tT20h ； 三、石墨烯的改性 将步骤ニ中制备的带有规则带状氧化石墨烯的硅片置于管式炉中，在室温条件下将管式炉抽真空后充满惰性气体和还原性气体,将管式炉内的温度从室温加热至30(T900°C，在30(T900°C温度下持续加热5 50min，将温度降至室温后即可形成规则条状还原氧化石墨； 四、批量石墨烯气体传感器的制备 ①、将步骤三获得带有规则带状的还原氧化石墨烯的硅片以电极大小为500μ mX500 μ m,电极间距为20 μ m的铜制掩膜为模板利用真空镀膜机制备金/铬合金电极，沉积的电极总厚度为6(Tl00nm，其中铬层厚l(T30nm，金层厚2(T70nm ； ②、镀膜结束后，将器件放在管式炉中，在温度3000C、氩气/氢气气氛中做退火处理，这样即批量制备了基于还原氧化石墨烯的气体传感器。2.根据权利要求I所述的基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法，其特征在于所述还原性气体与惰性气体的体积比为I: (Γ5)03.根据权利要求I或2所述的基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法，其特征在于所述还原性气体为氨气或氢气，惰性气体为氮气、氦气或氩气。4.根据权利要求I所述的基于纳米软印刷技术批量制备石墨烯气体传感器的方法，其特征在于所述步骤四中，氩气/氢气的体积比...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡平安，张荣福，文振忠，张甲，王小娜，王立锋，李俊杰，李晓超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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