基于石墨烯衍生物及类石墨烯的新型湿度传感器研究

摘要

湿度监测是健康物联网感知识别层所关注的环境层面的重要组成。随着近年来，物联网技术的高速发展，许多应用领域对湿度监测提出了更高的要求。例如IC工业生产、化学品储运及农业仓储等领域，需要将环境湿度控制在较低的水平，这就需要高灵敏度的湿度传感器精确监控湿度变化;在大气湿度监测、呼吸监测、肺病监测及麻醉监控等领域，需要具有快速响应特性的湿度传感器对湿度进行实时的监控。因此，需要研究制备高性能的湿度传感器以满足应用领域日益提高的监测需求。
　　当前，新型纳米材料被广泛地应用于湿度传感器领域，成为制备高性能湿度传感器的主要选择。本文围绕石墨烯衍生物(GO，QD-GO)及类石墨烯(MoS2)材料的相关湿敏特性，发展了具有不同特点的几种高性能的湿度传感器。论文的主要工作如下:
　　(1)基于GO复合纳米Ag粒子发展了一种高灵敏度湿度传感器。通过将不同浓度的Ag粒子复合进GO制备了一种新型的电容敏感型湿度传感器。采用TEM、XRD、FTIR及接触角等方法表征分析了湿敏薄膜的微观结构和亲水特性，表明GO/Ag复合薄膜对水分子具有更强的吸附特性;利用LCR电桥测试了制备的湿度传感器的湿敏特性，发现GO/Ag湿度传感器的灵敏度相比于纯GO湿度传感器提高了2个数量级，相较于聚酰亚胺等传统材料湿度传感器，提高了3个数量级。通过对传感器Ⅳ特性的研究发现GO/Ag湿敏薄膜表现出肖特基特性，湿度的增加会降低湿敏薄膜的肖特基势垒高度，加强了其离子传导特性;传感器的复阻抗测试结果表明Ag粒子促进了湿敏薄膜在对水分子的吸附过程中液态水层的形成，同样加强了湿敏薄膜的离子传导特性，上述两点因素促使了GO/Ag湿度传感器具有更高的感湿灵敏度。
　　(2)基于氧化石墨烯量子点实现了一种快速湿度传感器。通过涂覆氧化石墨烯量子点薄膜在叉指电极上制备了阻抗型湿度传感器，研究了制备的湿度传感器的响应和恢复特性，测试结果表明，传感器具有亚秒级的响应速度，传感器的响应时间与湿敏薄膜厚度成反比。结合湿敏薄膜的微观结构特征，提出了路口密度理论，解释了传感器的快速响应机制。呼吸监测实验表明该湿度传感器可以灵敏监测人体呼吸时鼻腔周围湿度的变化，能够反映人体的呼吸行为，这种非接触测量的方式为人体呼吸监测提供了新的选择。
　　(3)结合静电自组装工艺，提出了一种基于氧化石墨烯量子点的超快响应湿度传感器的制备方法。将QD-GO与聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)利用静电自组装的方法形成超薄复合薄膜并制备成阻抗型湿度传感器。湿敏响应测试结果表明，传感器具有超快的响应速度，响应和恢复时间缩短到几十毫秒之内。传感器的浸水测试结果表明，传感器具有较好的水耐受性。超快的湿敏响应速度和较好的水耐受性，扩展了该湿度传感器的应用领域。
　　(4)基于MoS2/Ag复合薄膜实现了一种的高灵敏度湿度传感器。通过控制Ag与MoS2分散液的复合体积比，得到不同Ag含量的MoS2/Ag复合薄膜，并制备成电容型的湿度传感器。实验表征了湿敏薄膜的微观结构并且研究了制备的湿度传感器的湿敏性能。湿敏性能测量结果表明，制备的湿度传感器的灵敏度相较于纯的MoS2湿度传感器提高了两个数量级。表面形貌和接触角表征分析表明MoS2/Ag复合薄膜具有更强的亲水性能;复阻抗特性测试结果表明Ag粒子可以加强湿敏薄膜的离子传导特性，这些因素导致了MoS2/Ag传感器具有更高的响应灵敏度。
　　(5)提出了一种基于二氧化硅微球支撑MoS2的快速响应湿度传感器的制备方法。在IDE上依次制备SiO2微球支撑层和MoS2感湿层，通过SEM表征分析了制备的双层薄膜的结构特性，并且实验研究了制备的传感器的湿敏性能。测试结果表明，相较于无SiO2微球支撑层的MoS2湿度传感器，加入支撑层可以使传感器的响应速度提高1倍以上。结合纳米MoS2的结构特性和SiO2微球支撑的湿敏薄膜的凸面特征，分析了湿度传感器快速响应的机理。水滴点滴实验验证了该湿度传感器用于液体点滴计数监测的可能性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 湿度传感器研究进展

1．2．1 电解质类湿度传感器研究进展

1．2．2 陶瓷类湿度传感器研究进展

1．2．3 高分子聚合物类湿度传感器研究进展

1．3 提高湿度传感器性能的需求分析

1．4 提高湿度传感器性能的方法研究

1．4．1 提高湿度传感器灵敏度的方法研究

1．4．2 提高湿度传感器响应速度的方法研究

1．4．3 提高湿度传感器稳定性的方法研究

1．5 基于二维纳米材料的湿度传感器研究现状

1．5．1 基于石墨烯及还原氧化石墨烯的湿度传感器研究现状

1．5．2 基于氧化石墨烯的湿度传感器研究现状

1．5．3 基于二硫化钼的湿度传感器研究现状

1．6 论文的主要工作

第2章 氧化石墨烯及二硫化钼基础

2．1 氧化石墨烯基础

2．1．1 氧化石墨烯的结构

2．1．2 氧化石墨烯的基本特性

2．1．3 氧化石墨烯的制备方法

2．1．4 氧化石墨烯量子点的特性

2．2 二硫化钼基础

2．2．1 二硫化钼的结构

2．3．2 二硫化钼的基本特性

2．3．3 二硫化钼的制备方法

2．3 本章小结

第3章 基于GO／Ag复合薄膜的高灵敏湿度传感器研究

3．1 引言

3．2．1 叉指电极的制备

3．2．2 GO／Ag复合材料的制备

3．2．3 湿度传感器的制备

3．2．4 传感器湿敏响应测试系统

3．3 GO／Ag复合薄膜的表征

3．4 GO／Ag湿度传感器的湿敏性能

3．4．1 湿敏特性

3．4．2 响应和恢复特性

3．4．3 频率依赖特性

3．4．4 湿滞特性

3．4．5 长期稳定性

3．4．5 I-V特性

3．5 湿度传感器的湿敏响应机制

3．5．1 水分子的吸附过程及传感器的湿敏响应机制

3．5．2 湿度传感器的交流复阻抗分析

3．6 本章小结

第4章 基于氧化石墨烯量子点的快速湿度传感器研究

4．1 引言

4．2．1 传感器的制备

4．2．2 传感器湿敏响应测试系统

4．3 QD-GO材料的表征

4．4 QD-GO湿度传感器的湿敏性能

4．4．1 湿敏特性

4．4．2 响应和恢复特性

4．4．3 频率依赖特性

4．4．4 湿滞特性

4．4．5 温度漂移特性

4．5．1 监测人体呼吸行为的方法简介

4．5．3 基于QD-GO湿度传感器的无线呼吸监测系统

4．6 本章小结

第5章 基于QD-GO静电自组装的超快湿度传感器研究

5．1 引言

5．2．1 利用自组装技术制备湿度传感器

5．2．2 传感器湿敏响应测试系统

5．3 湿敏薄膜的表征

5．4．1 湿敏特性和湿滞特性

5．4．2 响应和恢复特性

5．3．3 水耐受性

5．4 本章小结

第6章 基于MoS2／Ag复合薄膜的高灵敏湿度传感器研究

6．1 引言

6．2 传感器的制备及测试系统的搭建

6．2．1 MoS2／Ag复合材料的制备

6．2．2 湿度传感器的制备

6．2．3 传感器湿敏响应测试系统

6．3 MoS2／Ag复合薄膜的表征

6．4 MoS2／Ag湿度传感器的湿敏性能

6．4．1 湿敏特性

6．4．2 响应和恢复特性

6．4．3 频率依赖特性

6．4．4 湿滞特性

6．4．5 长期稳定性

6．5 湿度传感器的湿敏响应机制

6．6 本章小结

第7章 基于SiO2微球支撑MoS2的快速湿度传感器研究

7．1 引言

7．2．1 传感器的制备

7．2．2 传感器湿敏响应测试系统

7．3 湿敏薄膜的表征

7．4 负载SiO2微球支撑层的MoS2湿度传感器的湿敏性能

7．4．1 湿敏特性

7．4．2 响应和恢复特性

7．4．3 频率依赖特性

7．4．4 湿滞特性

7．5 快速响应湿度传感器用于液体点滴计数的监测

7．6 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 论文工作总结

8．2 下一步研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果