一種印制式石墨烯基NO2氣敏元件及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種印制式石墨烯基NO2氣敏元件及其制備方法，充分結(jié)合凹版印刷技術(shù)與石墨烯二者的優(yōu)點(diǎn)，依次將梳狀叉指電極和石墨烯敏感層印刷在襯底上，最終得到印制式石墨烯基NO2氣敏元件。本發(fā)明專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①基于梳狀叉指電極和石墨烯基敏感層的NO2氣敏元件在室溫條件下對NO2具有好的氣敏特性和靈敏度；②印制式石墨烯基NO2氣敏元件設(shè)計科學(xué)、性能運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對生活環(huán)境中的NO2濃度進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測的需求；③采用印刷方式制備石墨烯基NO2氣敏元件工藝簡單，操作方便、工藝參數(shù)易于控制、成本低、適于工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種印制式石墨烯基NO2氣敏元件及其制備方法
本專利技術(shù)涉及氣體傳感器
，具體涉及到一種印制式石墨烯基NO2氣敏元件及其制備方法。
技術(shù)介紹
近年來，隨著我國城市汽車消費(fèi)市場的迅速崛起，氮氧化物(NOx)排放導(dǎo)致的環(huán)境問題日益突出。NO2F僅是引起酸雨、煙霧等環(huán)境問題的主要污染物之一，而且對呼吸道有強(qiáng)烈的刺激作用，嚴(yán)重威脅著市民的身體健康。因此，對生活環(huán)境中的NO2濃度進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測十分必要的。石墨烯，單層碳原子排列的六角晶格結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積，高的電導(dǎo)率以及低的信噪比，非常適合作為NO2敏感材料。與傳統(tǒng)NO2敏感材料(如金屬氧化物SnO2, WO3等)相比，石墨烯室溫電子遷移率可達(dá)15000cm2V—1 s—1，為室溫NO2響應(yīng)提供可能性。但是，石墨烯的氣敏響應(yīng)特性在很大程度上依賴于元件的結(jié)構(gòu)與制備工藝。目前，很多研究小組采用化學(xué)浸潰法或滴落法將石墨烯附著在襯底上得到石墨烯氣敏元件。這種制備方法過于粗糙，無法控制石墨烯敏感層的厚度，導(dǎo)致石墨烯基氣敏元件性能差。近年來，印刷電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種電子器件制造，如，傳感器，太陽能電池，顯示器和電路版等。它通過將功能性油墨轉(zhuǎn)印到襯底上即可。在不同印刷技術(shù)中，凹版印刷技術(shù)由于產(chǎn)量高，成本低以及周期短等優(yōu)點(diǎn)成為制備電子器件的一種有效工藝手段。因此，本專利技術(shù)結(jié)合石墨烯材料與凹版印刷技術(shù)制備出低成本、便攜式和可室溫工作的NO2氣敏元件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種能室溫工作的印制式石墨烯基NO2氣敏元件，同時提供上述氣敏元件的制備方法。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下:印制式石墨烯基NO2氣敏元件，設(shè)有絕緣襯底、梳狀叉指電極和石墨烯基敏感薄膜；氣敏傳感元件石墨烯基敏感薄膜采用凹版印刷的方式印制在襯底和梳狀叉指電極表面，通過檢測薄膜電阻值變化實(shí)現(xiàn)對NO2氣體濃度的檢測。所述絕緣襯底包括聚酰亞胺、聚酯、紙、玻璃和硅片。所述梳狀叉指電極、石墨烯基敏感薄膜位于氣敏元件的絕緣襯底同側(cè)。所述梳狀叉指電極包括金屬銀、金和鉬。所述的石墨烯基敏感薄膜為石墨烯或氧化還原石墨烯的水性油墨。所述石墨烯基敏感薄膜厚度可凹版印刷次數(shù)調(diào)控。上述印制式石墨烯基NO2氣敏元件的制備方法，包括步驟:A.將襯底(I)分別用丙酮、無水乙醇、去離子水進(jìn)行超聲波清洗，后對其做表面處理；B.采用凹版印刷技術(shù)，在襯底(I)上制備梳狀叉指電極(2)，并將其放在烘箱內(nèi)干燥；C.采用凹版印刷技術(shù)將石墨烯基水性敏感油墨印刷在帶有梳狀叉指電極(2)的襯底(I)上，對襯底位置進(jìn)行標(biāo)記定位，使石墨烯基敏感薄膜層(3)完全覆蓋在梳狀叉指電極(2)表面上，將其放在烘箱內(nèi)干燥，得到印制式石墨烯基NO2氣敏元件。所述步驟A中對襯底做表面處理可采用將襯底浸泡在半胱胺鹽酸鹽試劑中的化學(xué)法或反應(yīng)離子刻蝕的物理法。所述步驟B中烘箱干燥溫度80°C，干燥20-30分鐘。所述步驟C中石墨烯基水性敏感油墨按照下述步驟配制:將石墨烯均勻分散于去離子水中，濃度控制為15-80mg/mL,低速磁力攪拌5-10分鐘，再超聲震蕩5-10分鐘；重復(fù)該步驟3-5次完全均勻分散，獲得石墨烯基水性敏感油墨。在石墨烯敏感層下方印制一層導(dǎo)電叉指電極起到兩個作用:一方面降低石墨烯材料本身電阻，從而降低檢測功耗；另一方面，叉指電極特別是金屬叉指電極在氣體吸附脫附過程中起到催化作用，從而縮短氣體的響應(yīng)恢復(fù)時間。上述方法充分結(jié)合凹版印刷技術(shù)與石墨烯二者的優(yōu)點(diǎn)，依次將梳狀叉指電極和石墨烯基敏感層印刷在襯底上，最終得到印制式石墨烯基NO2氣敏元件。在制備過程中首先對襯底做表面處理，使襯底與油墨具有良好的匹配性，最終得到最佳的印刷效果。制備出的層狀薄膜型石墨烯基NO2氣敏元件可室溫工作。本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):①基于導(dǎo)電叉指電極和石墨烯敏感層的NO2氣敏元件在室溫條件下對NO2具有好的氣敏特性和靈敏度；②印制式石墨烯基NO2氣敏元件小型化、輕薄化，低能耗，滿足人們對生活環(huán)境中的NO2濃度進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測的需求采用印刷方式制備石墨烯基NO2氣敏元件工藝簡單，成本較低，重復(fù)性好，可工業(yè)化生產(chǎn)。【附圖說明】圖1為本專利技術(shù)的印制式石墨烯基NO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)記號說明:1:襯底；2:梳狀叉指電極；3:石墨稀基敏感I吳(層)。圖2為本專利技術(shù)的印制式石墨烯基NO2氣敏元件在室溫下對10，20, 30, 40, 50ppm NO2的氣敏特性。圖3為本專利技術(shù)的印制式石墨烯基NO2氣敏元件對不同氣體的選擇性能圖。具體實(shí)施方案為了更清楚的理解本專利技術(shù)，下面以實(shí)例進(jìn)一步說明，但范圍并不僅限于此。一種可室溫工作的印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特點(diǎn)，由一柔性襯底1，梳狀叉指電極2和石墨烯敏感膜層3構(gòu)成(如附圖1所示)。實(shí)施例1第一步、將PET襯底在去離子水中超聲清洗，吹干，用氧等離子體對襯底做刻蝕處理，氣流量IOOsccm,功率100W,刻蝕時間20秒；第二步、采用凹版印刷技術(shù)，在PI襯底上印刷出銀叉指電極，并將其放在烘箱中120°C干燥30分鐘；第三步、采用凹版印刷技術(shù)，將石墨烯基敏感油墨印刷在帶有銀叉指電極的PI襯底上，對襯底位置進(jìn)行標(biāo)記定位，使石墨烯敏感膜完全覆蓋在銀叉指電極表面，將其放在烘箱中80°C干燥10分鐘，得到印制式石墨烯基NO2氣敏元件。圖2是本實(shí)施例制備的印制式石墨烯基NO2氣體傳感器對10，20, 30, 40, 50ppm NO2的氣敏特性，工作條件為室溫，濕度范圍15-80%:測量范圍10-50ppm，靈敏度(電流比Al/I。) 0.60-3.08，響應(yīng)時間12s (響應(yīng)時間定義為達(dá)到最大電阻值的90% )，恢復(fù)時間20s (恢復(fù)時間定義為恢復(fù)到初始電阻值的10% )，電路電壓≤5VDC。圖3為本專利技術(shù)的印制式石墨烯基NO2氣敏元件對不同氣體的選擇性能圖。實(shí)施例2第一步、將PI襯底在去離子水中超聲清洗，吹干，用氧等離子體對襯底做刻蝕處理，氣流量IOOsccm,功率100W,刻蝕時間20秒；第二步、采用凹版印刷技術(shù)，在PI襯底上印刷出銀叉指電極，并將其放在烘箱中120°C干燥30分鐘；第三步、采用凹版印刷技術(shù)，將石墨烯基敏感油墨印刷在帶有銀叉指電極的PI襯底上，對襯底位置進(jìn)行標(biāo)記定位，使石墨烯敏感膜完全覆蓋在銀叉指電極表面，將其放在烘箱中80°C干燥10分鐘 ，按照襯底標(biāo)記的位置，重復(fù)以上操作，獲得多層石墨烯敏感層的石墨烯基NO2氣敏兀件。實(shí)施例3第一步、將PI襯底在去離子水中超聲清洗，吹干即可；第二步、采用凹版印刷技術(shù)，直接將石墨烯基敏感油墨印刷在PI襯底上，將其放在烘箱中80°C干燥10分鐘，得到印制式石墨烯基NO2氣敏元件。其中，石墨烯基敏感油墨按照下述步驟配制:將石墨烯均勻分散于去離子水中，濃度控制為15-80mg/mL，低速磁力攪拌5_10分鐘，再超聲震蕩5_10分鐘；重復(fù)該步驟3_5次完全均勻分散，獲得石墨烯基敏感油墨。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特征在于，設(shè)有絕緣襯底、梳狀叉指電極和石墨烯基敏感薄膜；氣敏傳感元件石墨烯基敏感薄膜采用凹版印刷的方式印制在襯底和梳狀叉指電極表面。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特征在于，設(shè)有絕緣襯底、梳狀叉指電極和石墨烯基敏感薄膜；氣敏傳感元件石墨烯基敏感薄膜采用凹版印刷的方式印制在襯底和梳狀叉指電極表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特征在于，所述絕緣襯底包括聚酰亞胺、聚酯、紙、玻璃和硅片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特征在于，所述梳狀叉指電極、石墨烯基敏感薄膜位于氣敏元件的絕緣襯底同側(cè)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特征在于，所述梳狀叉指電極包括金屬銀、金和鉬。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的印制式石墨烯基NO2氣敏元件，其特征在于，所述的石墨烯基敏感薄膜為石墨烯或氧化還原石墨烯的水性油墨。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的印制式石墨烯基NO2氣敏元件的制備方法，其特征在于，包括步驟: A.將襯底(I)分別用丙酮、無水乙醇、去離子水進(jìn)行超聲波清洗，后對其做表面處理； B.采用凹版印刷技術(shù)，在襯底(I)上制備梳狀叉指電...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃磊，王振平，林有杰，李云香，
申請(專利權(quán))人：上海師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31