【摘要】：近年來,二維材料由于獨特的電子結(jié)構(gòu),優(yōu)越的物理和化學(xué)性質(zhì)受到越來越多科研工作者的關(guān)注。雖然因其原子層結(jié)構(gòu)帶來的高表體比和強表面活性等特點,使二維材料在實現(xiàn)高性能氣體傳感器方面具有顯著優(yōu)勢,但目前二維材料氣體傳感器仍然普遍面臨著選擇性差,響應(yīng)靈敏度低等缺陷,因此探究新型材料和器件結(jié)構(gòu)將會是接下來研究的重點。對此本文創(chuàng)新型的引入了石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料和黑磷/氮化硼/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)二維衍生結(jié)構(gòu),深入地開展了其在氣體傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究。主要工作內(nèi)容如下:1.研究了黑磷/氮化硼/二硫化鉬化敏柵極氣體傳感器的氣敏特性,該結(jié)構(gòu)是以黑磷為化敏柵極材料,氮化硼為介質(zhì)材料,二硫化鉬為溝道材料堆疊而成。黑磷-頂柵場效應(yīng)晶體管擁有優(yōu)越的晶體管性能,亞閾值擺幅低至103 mV dec~(-1),而開關(guān)比高達(dá)10~7(V_(ds)=1 V)。在氣敏測試中,黑磷-化敏柵型氣體傳感器對NO_2表現(xiàn)出很高的靈敏度,對于10 ppb的NO_2,響應(yīng)靈敏度達(dá)到了8.21%,檢測極限為53 ppt。另外對比四種不同極性的有機(jī)易揮發(fā)性氣體,該氣體傳感器對二甲基甲酰胺表現(xiàn)出了非常好的選擇性。2.設(shè)計了一種基于石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料的正己烷電阻式氣體傳感器。石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料是由液相剝離的石墨烯與PDMS在異丙醇中混合而成,該復(fù)合材料的導(dǎo)電性與石墨烯含量正相關(guān),電導(dǎo)率逾滲閾值低至0.41 wt%。當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45 wt%時,對正己烷的檢測極限達(dá)到了200 ppb,并且擁有非常好的可重復(fù)性。該傳感器制備方法簡單,成本低,且靈敏度高,在工業(yè)領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用潛力。
【圖文】：

.2.1 二維材料基礎(chǔ)及應(yīng)用現(xiàn)狀二維材料[8]通常是指一類橫向尺寸大于 100nm，但只有單個或多個原子厚度納米材料。目前研究的成果表明相對于他們的體狀形態(tài)，只有原子層厚度的二材料擁有很多超乎預(yù)期的物理和化學(xué)性質(zhì)，與此同時研究者還發(fā)現(xiàn)二維材料擁一系列特有的性能[9]。首先，二維材料中的電子被限制在平面區(qū)域內(nèi)，這種電輸運的模式對材料電學(xué)性能的提高非常有利，同時也為凝聚態(tài)物理、電子/光子器件等基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了理想的平臺。第二，二維材料的厚度可以薄至幾原子層，甚至是單原子的厚度，這種獨特的層狀結(jié)構(gòu)使得組成材料的大量原子曝露在表面，這樣就可以非常容易通過表面修飾、官能化和摻雜等方法對二維料的性質(zhì)或功能進(jìn)行調(diào)控。第三，二維材料面內(nèi)獨特的強共價鍵和原子層厚度，使他們具有非常優(yōu)越的機(jī)械強度、柔韌性和透光度等特點，而這些優(yōu)勢也加速動二維材料在下一代電子柔性器件領(lǐng)域的應(yīng)用研究。最后，二維材料擁有非常的表體比，因此在與材料表面化學(xué)相關(guān)的領(lǐng)域，例如催化、超級電容和氣體傳等，也預(yù)示著二維材料同樣擁有廣泛的應(yīng)用潛力[10]。a） （b）

1-2 （a）石墨烯-透明頂柵 BP-場效應(yīng)晶體管示意圖；（b）100 nm 厚度的黑磷本征光學(xué)響應(yīng)及外部量子轉(zhuǎn)換效率；（c）黑磷光探測器對光信號的響應(yīng)第二，得益于面內(nèi)強共價鍵和原子層的厚度，二維材料具有其他傳統(tǒng)更加優(yōu)的機(jī)械強度、柔韌性和透光度。例如高至 42 Nm-1和 1.0 TPa 的抗斷強度和楊模量[14]，表明石墨烯是目前世界上已知厚度最薄、機(jī)械強度最高的材料，在0%彈性形變的情況下，石墨烯依然能保持結(jié)構(gòu)完好，沒有發(fā)生斷裂，也表明了墨烯具備非常好的柔韌性。此外，由于擁有相似的晶格結(jié)構(gòu)，也預(yù)示著其他二材料同石墨烯一樣有者類似的優(yōu)越機(jī)械性能，例如單層 MoS2測得的楊氏模量達(dá) 270 GPa，這要優(yōu)于它對應(yīng)的塊狀形態(tài)（~240 GPa）和傳統(tǒng)鋼鐵材料（~205Pa）。[15]除了機(jī)械強度和柔韌性，二維材料也有隨厚度減小而增大的光學(xué)透明，，研究結(jié)果[16]表明石墨烯對白光的吸收比僅有~2.3%，而低至~0.1%的反射比乎可以忽略不計，這就意味著約有 97%的白光可以透過石墨烯。另外有報道利石墨烯作為透明頂柵電極，黑磷對光的響應(yīng)靈敏度高達(dá) 657 mAW-1，帶寬超過 3 GHz，如圖 1-2c 所示[17]。同時具備優(yōu)越的機(jī)械強度、高柔韌性、光學(xué)透明
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212;TB34

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本文編號：2691601