还原氧化石墨烯及其复合材料的气敏性能与硅基集成微气体传感器的研究

Development of the highly sensitive、highly selective and highly integaratable sensing materials are very crucial for the reliable gas sensors. The reduced 2D graphene oxide (rGO) functionalized by the oxygen containing groups has better desirable gas sensing properties. However, the gas sensing properties such as the response/recovery features and selectivity need further improving.In this proposal, various methods will be employed to obtain the rGO with different concentrations of the oxygen containing species. Through studying the influence of these oxygen containing species and the metal oxide/polymer dopants on the electrical and sensing properties of the rGO, the possible method for improving the sensing properties will be researched and the possible mechanism will be explored and proposed. Further, the integration of the optimized rGO with the Si-based microhoplate using microfluidic technology will be investigated. The sensor array will be studied to improve the seletivity of the sensor together with the advantages of the temperature modulation offered by microhotplates.

)：研究开发满足未来高灵敏度、高选择性、高集成化需求的气敏材料及传感器是气体传感器领域研究的重要课题。本项目以还原氧化石墨烯为研究对象，从材料结构修饰和微热板阵列传感器加工两方面入手，探索有效提高还原氧化石墨烯材料的气敏性、响应恢复速度、选择性的科学方法。研究内容包括：系统研究具有不同含氧功能团浓度的还原氧化石墨烯，以及它与不同金属氧化物/有机聚合物组成的功能化复合敏感材料，探索该类气敏材料的气敏性能和响应机理，进而改善传感器的响应恢复特征和提高气体选择性；研究基于还原氧化石墨烯的半导体集成微气体传感器阵列，探索还原氧化石墨烯与硅基微热板的集成技术，以提高选择性和响应恢复速度为目标深入研究微热板的控温方式，为研究开发出具有高灵敏度、高选择性和具有良好响应恢复性能的实用化半导体集成微气体传感器奠定科学与技术基础。

项目集中研究了还原氧化石墨烯与过渡金属氧化物复合的半导体气敏材料的气敏性能，采用电喷丝、水热和物理混合等方法制备了不同微观结构的夹层状，石墨烯包覆的纤维状复合气敏材料，敏感性能测试结果表明，还原氧化石墨烯包覆的氧化钴纳米纤维具有优异的氨气响应性能，响应时间减小至4秒，恢复时间减小到2分钟以内，比文献报道的还原氧化石墨烯半导体电阻型气体传感器都大大缩短，解决了基于石墨烯敏感材料的响应恢复速度，传感器可以稳定使用4年，达到了预期目的。围绕还原氧化石墨烯和金属氧化物复合气敏材料的研究，对还原氧化石墨烯以及修饰用的金属氧化或者金属硫化物展开研究，所研发的rGO/WS2复合敏感材料可以实现氨气的室温传感，响应恢复时间均小于1分钟，达到了项目预期目标。通过系统的对比深入研究了传感器敏感机理。采用数学模型优化了组成对性能的影响。采用微注射结合电泳的制造工艺研发了硅微热板集成的还原氧化石墨烯微传感器，微传感器表现出对氨气良好的响应特征，实现了硅基集成的石墨烯微传感器。研究工作发表SCI/EI论文25篇，其中中科院1区文章15篇，ESI高倍引文章2篇，获得辽宁省自然科学学术成果一等奖和二等奖各1项。培养硕士生12名，博士生6名；其中１人次获得辽宁省优秀硕士论文，1人次获得学校优秀硕士论文,3人次获得国家研究生奖。