CN112697846A - 基于碳纳米管/二维材料的自驱动多功能传感器的构筑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于碳纳米管/二维材料的自驱动多功能传感器的构筑方法。通过湿法转移二维材料的方法，在二维材料薄膜上添加碳纳米管，成功制备一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器，该传感器对光刺激和湿度刺激都有着明显的响应，并且通过其响应曲线可以明显分辨这两种不同信号。该柔性器件构筑方法简单可控，成本低廉，重复性高，具有重要的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于碳纳米管/二维材料的自驱动多功能传感器的构筑方法。
背景技术
传感器对检测来自周围环境的各种信号发挥着重要作用，但是目前大多数的传感器只对单一信号有响应。近几年，开发能够同时检测两种及以上信号的多功能传感器开始倍受关注。人的皮肤实质上就是一个很好的多功能传感器，它可以同时感知压力、温度、湿度等信号，而基于van der Waals结的复合薄膜不仅具备优异的电学性质，还呈现出理想的柔性和对周围环境变化的敏感性。受此启发，研究人员致力于设计基于范德瓦尔斯结的“电子皮肤”“可穿戴传感器”以模仿人的皮肤，从而实现监测人们的生活环境及健康状况。此外，这类多功能传感器普遍被期望用于检测诸如人类呼吸、体温变化、压力扰动等微弱信号，这就对其响应灵敏度提出很高的要求。
近年来，科研人员致力于开发柔性电子产品，希望其可以模拟皮肤的功能，并且可以实现健康监测、医学植入等应用。高分子薄膜材料由于理想的柔性和可靠性长期以来是柔性电子材料的选择。随着单原子层无机二维材料制备工艺的发展，单原子层无机二维材料在开发高性能柔性电子器件和光电子器件方面引起高度关注。
2011年，Lemme等人通过加栅压，对所构筑的基底为SiO2/Si的石墨烯器件中的石墨烯进行电掺杂，使得器件表现出优异的光电响应性能 (Lemme M. C. et al; Gate-activated photoresponse in a graphene p-n junction, Nano Lett., 2011, 11:4134–4137)。
2016年， Sassi等人将化学气象沉积法生长在铜箔上的石墨烯转移到 LiNbO3 晶体上，通过光热电子掺杂，得到了高性能中红外光电探测器 (Sassi U. et al；Graphene-based mid-infrared room-temperature pyroelectric bolometers with ultrahightemperature coefficient of resistance, Nat. Commun. ,2016, 8: 14311)。
2018年，Wang等人在用化学气象沉积法生生长石墨烯的过程中，通过在同一刚性基底上分别选区注入n型和p型掺杂离子，很好地构建了无缝石墨烯p-n结阵列，其具有很好的光电响应性能(Wang G. et al；Seamless lateral graphene p–n junctions formedby selective in situ doping for high-performance photodetectors, Nat. Commun.,2018, 9: 5168)。
单原子层无机二维材料在单功能传感器的应用上已得到广泛研究，然而对于设计可以模拟皮肤感知功能的多功能电子器件方面，相关器件设计思路和构筑工艺仍面临挑战。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于碳纳米管/二维材料的自驱动多功能传感器的构筑方法。
本发明目的通过下述方案实现：一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器的构筑方法，在不添加任何表面活性剂的条件下，选用PDMS为柔性衬底，通过湿法转移二维材料的方法，并在二维材料薄膜上添加碳纳米管，控制器件退火温度和时间，优化二维材料薄膜与碳纳米管之间的范德瓦尔斯接触，成功制备了一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器，包括步骤如下：
1）将二维材料样品湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上30~50℃烘100~200s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取一定量碳纳米管粉末，加入适量氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）将步骤2）中的悬浊液做离心处理，离心机转速控制在6000~8000转/分钟，离心时间3~10分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将步骤3）中的碳纳米管稳定悬浊液用移液枪适量地滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将步骤3）中的PDMS/二维材料/碳纳米管样品放入烘箱，真空条件下20~60℃退火0.5~2小时，得到所需样品。
在上述方案基础上，步骤1）中，所述的二维材料至少为石墨烯、单层或少层二硫化钼薄膜、单层或少层二硫化钨薄膜、单层或少层氧化还原薄膜和氧化锌纳米薄膜中的一种，湿法转移在PDMS衬底上。
步骤1）中，湿法转移在PDMS上的二维材料薄膜在35℃烘干时间为150s。
步骤2）中碳纳米管的量为0.5~1.0mg，氯仿的量为10~30ml。
步骤2）中碳纳米管的量为0.8mg，氯仿的量为20mL。
步骤3）中离心机转速控制7000转/分钟的转速离心处理5分钟。
步骤4）中滴加碳纳米管分散液的量为2~10μL。
步骤4）中滴加碳纳米管分散液的量为为5μL。
步骤5）中真空条件下退火温度为为40℃退火时间1小时。
该传感器对光刺激和湿度刺激都有着明显的响应，并且通过其响应曲线可以明显分辨这两种不同信号。此外，该传感器具备自驱动的特性，其显示出16% 的光响应灵敏度，和31%的湿度响应灵敏度。该器件响应循环稳定性好该柔性器件构筑方法简单可控，成本低廉，重复性高，故具有明显的应用价值。
本发明提供了一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器的构筑方法，在不添加任何表面活性剂的条件下，选用PDMS为柔性衬底，通过湿法转移二维材料的方法，并在二维材料薄膜上添加碳纳米管，控制器件退火温度和时间，优化二维材料薄膜与碳纳米管之间的范德瓦尔斯接触，成功制备了一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器，该传感器对光刺激和湿度刺激都有着明显的响应，并且通过其响应曲线可以明显分辨这两种不同信号。该柔性器件构筑方法简单可控，成本低廉，重复性高，具有重要的应用潜力。
附图说明
图1：实施例1器件的光信号和湿度信号交互响应曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器,在不添加任何表面活性剂的条件下，选用PDMS为柔性衬底，通过湿法转移二维材料的方法，在二维材料薄膜上添加碳纳米管，控制器件退火温度和时间，优化二维材料薄膜与碳纳米管之间的范德瓦尔斯接触，制备一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器，按如下步骤：
1）将二维材料样品石墨烯样品湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上35℃烘干150s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取0.8mg碳纳米管粉末，加入到20ml氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）将步骤2）中的悬浊液做离心处理，离心机转速控制在7000转/分钟，离心5分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将5μL步骤3）得到的碳纳米管稳定悬浊液用移液枪滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将步骤4）中的PDMS/二维材料/碳纳米管样品放入烘箱，真空条件下40℃退火1小时，得到基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器。
附图1为本实施例器件的光信号和湿度信号交互响应曲线。由该响应曲线，计算出器件的响应灵敏度，计算公式为：（电流变化值/初始电流）×100%. 可以得出，在不加偏压的情况下，该传感器显示出16% 的光响应灵敏度，和31%的湿度响应灵敏度。
实施例2：
一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器,与实施例1步骤相近，按如下步骤：
1）将二维材料样品单层或少层二硫化钼薄膜样品用湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上35℃烘150s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取0.8mg碳纳米管粉末，加入20mL氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）将步骤2）中的悬浊液做离心处理，离心机转速控制在7000转/分钟，离心时间5分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将该分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液5μL用移液枪滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将步骤4）中的PDMS/二维材料/碳纳米管样品放入烘箱，真空条件下40℃退火1小时，即可获得基于碳纳米管/石墨烯的新型自驱动多功能传感器。
实施例3：
一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器,与实施例1步骤相近，按如下步骤：
1）将二维材料样品单层或少层二硫化钨薄膜样品用湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上35℃烘150s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取0.8mg碳纳米管粉末，加入20mL氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）悬浊液做离心处理，离心机转速控制在7000转/分钟，离心时间5分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将该分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液5μL用移液枪滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将所得样品放入烘箱，真空条件下40℃退火1小时，即可获得基于碳纳米管/石墨烯的新型自驱动多功能传感器。
实施例4：
一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器,与实施例1步骤相近，按如下步骤：
1）将二维材料样品单层或少层氧化还原薄膜样品用湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上40℃烘200s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取0.5mg碳纳米管粉末，加入15mL氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）悬浊液做离心处理，离心机转速控制在8000转/分钟，离心时间3分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将该分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液8μL用移液枪滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将所得样品放入烘箱，真空条件下40℃退火1.5小时，即可获得基于碳纳米管/石墨烯的新型自驱动多功能传感器。
实施例5：
一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器,与实施例1步骤相近，按如下步骤：
1）将二维材料样品将氧化锌纳米薄膜样品用湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上35℃烘150s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取0.8mg碳纳米管粉末，加入20mL氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）悬浊液做离心处理，离心机转速控制在7000转/分钟，离心时间5分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将该分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液5μL用移液枪滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将所得样品放入烘箱，真空条件下40℃退火1小时，即可获得基于碳纳米管/石墨烯的新型自驱动多功能传感器。
Claims (7)
1.一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器的构筑方法，其特征在于,在不添加任何表面活性剂的条件下，选用PDMS为柔性衬底，通过湿法转移二维材料的方法，在二维材料薄膜上添加碳纳米管，控制器件退火温度和时间，优化二维材料薄膜与碳纳米管之间的范德瓦尔斯接触，制备一种基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器，包括步骤如下：
1）将二维材料样品湿法转移到大小为1cm×1cm的PDMS高分子柔性衬底上，置于热板上30~50℃烘100~200s, 得到衬底为PDMS的二维材料样品；
2）称取0.5~1.0mg碳纳米管粉末，加入到10~30ml氯仿溶剂中，冰浴超声分散1小时，得到分散剂为氯仿的碳纳米管悬浊液；
3）将步骤2）中的悬浊液做离心处理，离心机转速控制在6000~8000转/分钟，离心时间3~10分钟，离心后取上清液，即得到分散均匀的碳纳米管稳定悬浊液；
4）将2~10μL步骤3）得到的碳纳米管稳定悬浊液用移液枪滴加在步骤1）中衬底为PDMS的二维材料样品表面，得PDMS/二维材料/碳纳米管样品；
5）将步骤4）中的PDMS/二维材料/碳纳米管样品放入烘箱，真空条件下20~60℃退火0.5~2小时，得到基于碳纳米管/二维材料的新型自驱动多功能传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1）所述的二维材料至少为石墨烯、单层或少层二硫化钼薄膜、单层或少层二硫化钨薄膜、单层或少层氧化还原薄膜和氧化锌纳米薄膜中的一种，湿法转移在PDMS衬底上。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于步骤1）湿法转移在PDMS上的二维材料薄膜在35℃烘干时间为150s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2）中碳纳米管的量为0.8mg，氯仿的量为20mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤3）中离心机转速控制7000转/分钟的转速离心处理5分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤4）中滴加碳纳米管分散液的量为为5μL。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤5）中真空条件下退火温度为为40℃退火时间1小时。
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-
2020
- 2020-12-28 CN CN202011575070.1A patent/CN112697846A/zh active Pending
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