本文關(guān)鍵詞：還原氧化石墨烯基新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和二極管的創(chuàng)制及其傳感應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：自2004年被發(fā)現(xiàn)以來,石墨烯不僅豐富了碳納米材料類型而且引起了全世界的研究熱潮。石墨烯是碳原子采取sp2雜化,與鄰近碳原子以σ鍵形成六角蜂窩狀的二維波浪形平面結(jié)構(gòu),是厚度僅為0.335 nm,目前世界上最薄的二維材料。石墨烯具有優(yōu)異機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)等物理和化學(xué)性質(zhì),在納米電子器件、儲(chǔ)能材料、催化及傳感等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。近年來,基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和二極管等電子器件,因具有噪音低、穩(wěn)定性好、比表面積大、生物相容性好和對(duì)外部環(huán)境變化敏感等特點(diǎn)而被廣泛地用于傳感研究。為方便起見,在本學(xué)位論文工作中,特將此類傳感器件統(tǒng)稱為石墨烯基電子傳感器。早期,科學(xué)家們對(duì)石墨烯電子傳感器的研究主要是利用石墨烯自身的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的響應(yīng)。然而隨著研究工作的深入,以石墨烯表界面性質(zhì)調(diào)控、傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、器件制備工藝改良等作為主要手段發(fā)展新型傳感器,提升已有傳感器的性能逐漸成為石墨烯基傳感器的研究主流,以期不斷豐富石墨烯基傳感器類型,拓展石墨烯基傳感器應(yīng)用。本論文以簡(jiǎn)單易得的還原氧化石墨烯(RGO)為傳感元素,通過表面結(jié)構(gòu)修飾,構(gòu)建了不同類型的液相電子傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)某些生物活性物質(zhì)和重金屬離子的高靈敏度和高選擇性檢測(cè)。與此同時(shí),還設(shè)計(jì)制備了選擇性檢測(cè)HCl的RGO/銀納米線柔性氣體傳感器。本學(xué)位論文主要包括以下四方面的工作：(1)利用親水-疏水界面技術(shù),得到了基于RGO條紋圖案的溶液柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SGFET)傳感器。實(shí)驗(yàn)表明,該SGFET傳感器的轉(zhuǎn)移曲線具有石墨烯典型的雙極性性質(zhì),而且對(duì)一系列三磷酸核苷酸表現(xiàn)出一定的區(qū)分檢測(cè)能力。為了提高該傳感器(S2)對(duì)三磷酸核苷酸的傳感性能,以含陽離子咪唑功能基團(tuán)的雙芘衍生物,py-diIM-py,修飾RGO導(dǎo)電溝道,得到了修飾傳感器(S1)。傳感性能研究表明,與S2對(duì)五種所測(cè)試的三磷酸核苷酸的響應(yīng)相比,S1對(duì)ATP和GTP具有更高的檢測(cè)靈敏性和選擇性,實(shí)測(cè)檢出限可低至400 nM。機(jī)理研究說明,正是修飾物與ATP或GTP的靜電作用才使得更多的待測(cè)物可以被富集到RGO表面,從而引發(fā)更多的電子轉(zhuǎn)移。至于選擇性則可歸因于ATP和GTP的堿基與RGO較強(qiáng)的π-π作用。此外,改變柵壓不僅能夠調(diào)節(jié)傳感器的靈敏性,而且可以獲得多種傳感信號(hào)。值得一提的是,S1與S2對(duì)所測(cè)試的三磷酸核苷酸具有交互響應(yīng)性,據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)五種三磷酸核苷酸的區(qū)分檢測(cè)。(2)利用電化學(xué)還原法構(gòu)建了基于RGO的新穎電阻型化學(xué)傳感器。以芘的葡萄糖衍生物(PG)修飾RGO,實(shí)現(xiàn)了對(duì)Hg2+的高靈敏度、高選擇性檢測(cè)。傳感性能研究表明,修飾后的傳感器(C1)在Hg2+濃度僅為0.1nM時(shí)就有明顯的電流變化,而未修飾的傳感器(C2)直到Hg2+濃度增大到4 nM時(shí)才開始有比較明顯的電流變化。此外,常見金屬離子K+,Na+, Cu2+, Zn2+和Fe3+等對(duì)C1的導(dǎo)電性能影響不大。除此之外,該傳感器在0.1nM—4nM范圍內(nèi)表現(xiàn)出很好的線性和高選擇性響應(yīng),K+,Na+,Cu2+,Zn2+和Fe3+等常見金屬離子的存在不干擾測(cè)定。系統(tǒng)對(duì)重金屬離子Cd2+也有響應(yīng),不過這一響應(yīng)發(fā)生在濃度2 nM以上。結(jié)果表明,RGO基的電阻型傳感器制備簡(jiǎn)單、操作方便、重復(fù)性好,是一種理想的可以微型化的水體Hg2+高靈敏、高選擇性傳感器。(3)設(shè)計(jì)制備了基于RGO/GO和銀納米線的柔性電阻型氣體傳感器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),改變RGO/GO和銀納米線的沉積次序不僅顯著影響系統(tǒng)的導(dǎo)電行為,而且還會(huì)影響系統(tǒng)的傳感性能。傳感測(cè)試表明,該系統(tǒng)對(duì)HCl氣體具有特異響應(yīng)性,且以銀納米線/RGO的傳感性能最優(yōu)。此外,通過調(diào)節(jié)RGO的厚度也可以改善傳感器的傳感性能。(4)以甘氨酸、L(D)-苯丙氨酸為連接臂將三聯(lián)噻吩和膽固醇鏈接,設(shè)計(jì)合成了三種小分子有機(jī)膠凝劑TtGC、TtLPC和TtDPC(見附錄)。分別研究了這些化合物的膠凝行為和成膠機(jī)理。研究表明不同連接臂結(jié)構(gòu)以及手性基團(tuán)的引入對(duì)化合物的膠凝行為有明顯的影響。此外,膠凝劑分子之間通過氫鍵作用和膽固醇的范德華力作用以四方堆積和六方堆積兩種方式聚集,從而形成具有左手螺旋的原纖維,這種原纖維再聚集形成較大的纖維,進(jìn)而形成纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),然后過渡到纖維-片狀混合結(jié)構(gòu),再到片狀-棒狀混合結(jié)構(gòu),最終相互纏繞成為棱柱結(jié)構(gòu)。這些聚集體堆積成網(wǎng)阻礙了溶劑流動(dòng),從而形成具有粘彈性的分子凝膠。有趣的是,以這種分子凝膠流延得到了具有微納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形貌的熒光傳感薄膜,實(shí)現(xiàn)了對(duì)醋酸氣體的"turn-on"型傳感,且可逆性好。實(shí)事求是的講,以這種分子凝膠制備高孔隙率、大比表面熒光薄膜有其自身優(yōu)勢(shì),但所需熒光膠凝劑制備過程冗長(zhǎng),膜穩(wěn)定性不夠理想,再生也很復(fù)雜,因此,本學(xué)位論文在進(jìn)行了相關(guān)探索之后將注意力集中到了易于器件化、微型化,也與小分子膠凝劑密切相關(guān)的石墨烯基電子傳感器研究。為了不影響學(xué)位論文的結(jié)構(gòu),特將本部分內(nèi)容作為附錄列入。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 還原氧化石墨烯 電子傳感器 凝膠 熒光
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN386;TN31
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 縮略語8-13
• 第一章 石墨烯基電子傳感器研究進(jìn)展13-39
• 1.1 石墨烯的發(fā)展歷程13-14
• 1.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)14-17
• 1.3 石墨烯的制備17-25
• 1.3.1 機(jī)械剝離法18
• 1.3.2 化學(xué)氣相沉積法18-19
• 1.3.3 外延生長(zhǎng)法19-20
• 1.3.4 電化學(xué)剝離法20-21
• 1.3.5 有機(jī)合成法21-22
• 1.3.6 氧化石墨烯的化學(xué)還原法22-25
• 1.4 石墨烯的功能化25-26
• 1.4.1 共價(jià)鍵修飾25-26
• 1.4.2 非共價(jià)鍵修飾26
• 1.5 石墨烯基電子傳感器26-36
• 1.5.1 液相傳感器27-33
• 1.5.2 氣相傳感器33-36
• 1.6 展望36-39
• 論文選題依據(jù)和研究思路39-41
• 第二章 圖案化還原氧化石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的創(chuàng)制及其對(duì)三磷酸核苷酸的檢測(cè)和區(qū)分41-63
• 2.1 引言41-42
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分42-47
• 2.2.1 試劑42-43
• 2.2.2 氧化石墨烯(GO)的制備43
• 2.2.3 氧化石墨烯懸浮液的制備43-44
• 2.2.4 化合物py-diIM-py的合成44
• 2.2.5 還原氧化石墨烯基圖案化及溶液柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的制備44-45
• 2.2.6 界面修飾45
• 2.2.7 電學(xué)傳感測(cè)試45
• 2.2.8 XRD圖譜測(cè)試45-46
• 2.2.9 原子力顯微鏡測(cè)試46
• 2.2.10 掃描電鏡測(cè)試46
• 2.2.11 紅外光譜測(cè)試46
• 2.2.12 XPS光譜測(cè)試46
• 2.2.13 接觸角測(cè)試46
• 2.2.14 光學(xué)顯微鏡46
• 2.2.15 電學(xué)性能測(cè)試46-47
• 2.3 結(jié)果與討論47-61
• 2.3.1 GO的結(jié)構(gòu)表征47-48
• 2.3.2 GO的形貌表征48-49
• 2.3.3 界面親水-疏水法制備圖案化GO薄膜49-50
• 2.3.4 RGO的結(jié)構(gòu)表征50-51
• 2.3.5 傳感界面的修飾51-52
• 2.3.6 溶液柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能研究52-54
• 2.3.7 基于RGO的溶液柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)GTP的傳感54-55
• 2.3.8 基于RGO的溶液柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)ATP的傳感55-56
• 2.3.9 傳感機(jī)理研究56-59
• 2.3.10 基于RGO的溶液柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)三磷酸核苷酸的區(qū)分檢測(cè)59-61
• 2.4 本章小結(jié)61-63
• 第三章 新型還原氧化石墨烯基電阻型傳感器的創(chuàng)制及其對(duì)汞離子的高靈敏選擇性檢測(cè)63-75
• 3.1 引言63-64
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分64-66
• 3.2.1 試劑64
• 3.2.2 化合物PG的合成64-65
• 3.2.3 液相電阻型傳感器的制備65
• 3.2.4 界面修飾65-66
• 3.2.5 金屬離子傳感測(cè)試66
• 3.2.6 掃描電鏡測(cè)試66
• 3.2.7 拉曼光譜測(cè)試66
• 3.2.8 電學(xué)性能測(cè)試66
• 3.3 結(jié)果與討論66-73
• 3.3.1 電化學(xué)還原法制備ERGO66-67
• 3.3.2 ERGO的Raman光譜表征67-68
• 3.3.3 ERGO界面上的非共價(jià)鍵修飾68-69
• 3.3.4 ERGO基電阻型傳感器的電學(xué)性能69
• 3.3.5 基于ERGO電阻型溶液相傳感器對(duì)Hg~(2+)的傳感69-71
• 3.3.6 基于ERGO電阻型溶液相傳感器對(duì)金屬離子的檢測(cè)選擇性71-73
• 3.3.7 傳感機(jī)理模型73
• 3.4 本章小結(jié)73-75
• 第四章 銀納米線-還原氧化石墨烯雜化柔性氣體傳感器75-83
• 4.1 引言75
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分75-77
• 4.2.1 試劑75-76
• 4.2.2 銀納米線的制備76
• 4.2.3 條紋狀導(dǎo)電溝道的制備76-77
• 4.2.4 基于還原氧化石墨烯和銀納米線層層組裝的氣相傳感器的制備77
• 4.2.5 X射線衍射分析77
• 4.2.6 掃描電鏡測(cè)試77
• 4.2.7 電學(xué)性能測(cè)試77
• 4.3 結(jié)果與討論77-81
• 4.3.1 銀納米線的形貌和結(jié)構(gòu)表征77-78
• 4.3.2 傳感器的條紋狀結(jié)構(gòu)78-79
• 4.3.3 傳感器的電學(xué)性能79-80
• 4.3.4 器件的傳感性能80-81
• 4.3.5 傳感選擇性測(cè)試81
• 4.4 本章小結(jié)81-83
• 附錄 三聯(lián)噻吩膽固醇衍生物分子凝膠的創(chuàng)制及其傳感應(yīng)用83-107
• 5.1 凝膠和物理凝膠83
• 5.2 小分子凝膠83-85
• 5.3 π-共軛小分子膠凝劑在熒光傳感方面的應(yīng)用85-87
• 5.4 實(shí)驗(yàn)部分87-92
• 5.4.1 試劑87-88
• 5.4.2 三聯(lián)噻吩膽固醇小分子膠凝劑的合成(圖5-3)88-90
• 5.4.3 膠凝實(shí)驗(yàn)90-91
• 5.4.4 凝膠微觀形貌觀察91
• 5.4.5 核磁圖譜測(cè)試91
• 5.4.6 紅外光譜測(cè)試91
• 5.4.7 元素分析測(cè)試91-92
• 5.4.8 圓二色譜和紫外可見光譜測(cè)試92
• 5.4.9 XRD圖譜測(cè)試92
• 5.4.10 XPS光譜測(cè)試92
• 5.4.11 熒光性質(zhì)測(cè)試92
• 5.5 結(jié)果與討論92-105
• 5.5.1 化合物TtGC、TtLPC和TtDPC的膠凝行為研究92-94
• 5.5.2 凝膠的微觀形貌研究94-95
• 5.5.3 凝膠形成的驅(qū)動(dòng)力研究95-97
• 5.5.4 UV-Vis和CD光譜研究97-99
• 5.5.5 分子堆積行為研究99-101
• 5.5.6 薄膜的靜態(tài)熒光光譜及傳感行為研究101-105
• 5.6 本章小結(jié)105-107
• 總結(jié)107-109
• 參考文獻(xiàn)109-129
• 致謝129-131
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果131-133

  本文關(guān)鍵詞：還原氧化石墨烯基新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和二極管的創(chuàng)制及其傳感應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：257068