專利名稱：基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種納米材料技術(shù)領域的裝置及制備方法，具體是一種基于單層
聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯，又稱單原子層石墨，被認為是一種零帶隙半導體。它具有一系列獨特電 學性質(zhì)_室溫霍爾效應和高電子遷移率，導熱性能，大的比表面積等，引起了研究者們的普 遍關注。石墨烯是嚴格意義上的二維晶體，是制備生化傳感器最理想的材料。如Robinson 等在《Nanoletters》(纟內(nèi)米快報)上發(fā)表了題為"Reduced graphene oxide molcurlar sensors"(還原氧化石墨烯分子傳感器)(2008，8，3137-3140)的文章，他們指出利用還 原氧化石墨烯具有導電性和化學活性缺陷的特點，可作為分子傳感器的活性材料，并通過 測量電導的變化，來考察材料對化學試劑丙酮的靈敏度。Fowler等在《ACS nano》(美國 化學會纟內(nèi)米)上發(fā)表了題為"Practical chemical sensors from chemically derived gr即hene"(化學方法制備的石墨烯應用于化學傳感器)(2009， 3， 301-306)的文章，作者提
供了一種簡單、實用和有效的方法來制備石墨烯化學傳感器，具體是應用于檢測二氧化氮 冊2，氨氣朋3和2，4-二硝基甲苯。主要是利用化學方法制備的石墨烯分散液旋涂于指狀交 叉電極陣列上形成單層膜來制備傳感器，通過對電流-電壓曲線的測量，來檢測石墨烯膜 識別化學氣體的靈敏度。Kang等在《Biosensors and Bioelectronics》(生物傳感器和生 物電子學)上發(fā)表了題為"Glucoseoxidase-gr即hene-chitosan modified electrode for direct electrochemistry and glucosesesing，，(葡萄糖氧化酶_石墨烯_殼聚糖修飾電 極用于電化學法檢測葡萄糖檢測)(2009，25，901-905)的文章，作者利用葡萄糖氧化酶_石 墨烯_殼聚糖納米復合物作為電極，采用電化學方法研究并發(fā)現(xiàn)復合物薄膜對葡萄糖表現(xiàn) 出極高的靈敏度，而這種生物傳感器良好性質(zhì)正是取決于石墨大的比表面積和高的電導 率。Lu等在《Angewandte chemie》(德國應用化學)上發(fā)表了題為"A graphene platform for sensing biomolecules"(石墨烯為平臺的生物分子傳感器)(2009， 48， 4785-4787)的 文章，闡明了水溶性氧化石墨烯可以作為一個對DNA和蛋白質(zhì)具有高靈敏度和選擇性的檢 測平臺。盡管，基于石墨烯的生物、化學傳感器已有一定研究的基礎，但針對石墨烯的濕度 傳感器仍未有報道。本發(fā)明利用聚乙烯吡咯烷酮良好的吸濕性和還原氧化石墨烯的導電 性，制備出了基于聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯導電復合薄膜的電阻型濕度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于石墨烯復合物的濕度傳感器 的制備方法，利用聚乙烯吡咯烷酮及石墨烯的良好吸濕性和導電性，通過旋涂方法在基底
表面形成濕敏復合物的單層膜，在不同濕度下通過導電原子力顯微鏡測量的i-v曲線來檢
測復合物對濕度的靈敏度。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明通過將聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物稀釋后以單層膜的形式旋涂于基體表面，然后在單層膜上電鍍一層金屬電極并經(jīng)真空干燥處理后，制成濕度傳感器。 所述的聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物是指在室溫下將氧化石墨和水以0.5mg/mL的比例混合后工作頻率為40kHz ，超聲功率200w的超聲處理30min，得到氧化石墨烯分散液；再依次加入聚乙烯吡咯烷酮和抗壞血酸，經(jīng)7(TC油浴反應6h后制成。
所述的聚乙烯吡咯烷酮的用量為氧化石墨質(zhì)量的1 10倍；
所述的抗壞血酸的用量為氧化石墨質(zhì)量的2 4倍。 所述的稀釋是指向聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯復合物中加入4 50倍體積的水。
所述的單層膜的厚度為1 2nm。
所述的金屬電極為金電極或銀電極。
所述的金屬電極的厚度為50 100nm。
所述的基體為二氧化硅/硅或云母。 所述的真空干燥處理是指在真空干燥箱8(TC下處理24小時。 本發(fā)明利用聚乙烯吡咯烷酮良好的吸濕性和還原石墨烯的導電性，提供了一種簡單、廉價的電阻型濕度傳感器的制備技術(shù)。此外，利用導電原子力顯微鏡可以對單層薄膜在i-v曲線特性進行測量的同時，獲得它的高度圖像，實現(xiàn)了定點定位測量，方法簡單、無污染，實用于不同石墨烯復合材料特性研究以及研制不同生物、化學傳感器。


圖1為采用導電AFM掃描探針實施I-V曲線測量的示意圖。 圖2為聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯導電薄膜在不同相對濕度下，電壓為5V時電流變化曲線圖。 圖3為聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯導電薄膜在高(90% RH)、低度濕度(30% RH)下的施加電壓為IV時，電流和時間的響應曲線圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1 : 1，將實驗室自制的聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯復合物水溶液濃度稀釋至0. 02mg/ml，通過旋涂的方法將復合物以單層膜的形式鋪展于氧化硅/硅基表面。
2，在單層膜半邊表面鍍上一層厚度為80nm的金電極。
3，在CAFM模式下成像，并確定所測樣品的位置。 4，調(diào)節(jié)周圍環(huán)境相對濕度分別為30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，通過探
針施對所測試的點施加一個偏壓8V，進行不同濕度下I-V曲線的測量。 如圖1所示，為本實施例制備所得傳感器示意圖，其中以金電極和聚乙烯吡咯烷
酮-石墨烯導電薄膜分別為兩電極，基于原子力顯微鏡的接觸模式成像后，確定所要測量
的位置、點數(shù)，導電原子力顯微鏡通過探針施加一定的偏壓，測量的聚乙烯吡咯烷酮-石墨
4烯導電薄膜在不同濕度、不同位置的面電阻。 如圖2所示，施加電壓為5V時，隨相對濕度的增加，測得的聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯導電薄膜電流逐漸增大，以相對濕度70 %為拐點，在30 % -70 %和70 % -90 %相對濕度的兩個區(qū)間，電流變化與濕度的增加分別呈線性變化。 如圖3所示，施加電壓為1V時，在高(90% RH)、低度濕度(30% RH)下，聚乙烯吡
咯烷酮_石墨烯導電薄膜對濕度表現(xiàn)出的響應時間和恢復時間各為3s。
實施例2 : 1，將實驗室自制的聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯復合物水溶液濃度稀釋至0. 01mg/ml，通過旋涂的方法將復合物以單層膜的形式鋪展于氧化硅/硅基表面。
2，在單層膜半邊表面鍍上一層厚度為50nm的銀電極。
3，在CAFM模式下成像，并確定所測樣品的位置。4，調(diào)節(jié)周圍環(huán)境相對濕度30 % 、40 % 、50 % 、60 % 、70 % 、80 % 、90 % ，通過探針施對所測試的點施加一個偏壓1V，進行不同濕度下I-V曲線的測量。
實施例3 : 1，將實驗室自制的聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯復合物水溶液濃度稀釋至0. 05mg/ml，通過旋涂的方法將復合物以單層膜的形式鋪展于氧化硅/硅基表面。
2，在單層膜半邊表面鍍上一層厚度為100nm的銀電極。
3，在CAFM模式下成像，并確定所測樣品的位置。 4，調(diào)節(jié)周圍環(huán)境相對濕度30 % 、40 % 、50 % 、60 % 、70 % 、80 % 、90 % ，通過探針施對所測試的點施加一個偏壓1V，進行不同濕度下I-V曲線的測量。 在濕度傳感器制備過程中，通過調(diào)整聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物濃度，確定了最佳復合物濃度O. 02mg/ml ;此外，通過選擇不同電極及其厚度，確定了最佳電極為金電極，其厚度為50nm?；诰垡蚁┻量┩橥己玫奈鼭裥?、石墨烯大的比表面及優(yōu)異的導電性能，濕度傳感器表現(xiàn)出極短的響應時間3s和恢復時間3s，并以相對濕度70%為拐點，在相對濕度為30% -70%和70% -90%兩個區(qū)間，電流變化與濕度的增加分別呈線性變化。
權(quán)利要求
一種基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征在于通過將聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物稀釋后以單層膜的形式旋涂于基體表面；然后在單層膜上電鍍一層金屬電極并經(jīng)真空干燥處理后，制成濕度傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物是指在室溫下將氧化石墨和水以O. 5mg/mL的比例混 合后工作頻率為40kHz，超聲功率200w的超聲處理30min，得到氧化石墨烯分散液；再依次 加入聚乙烯吡咯烷酮和抗壞血酸，經(jīng)7(TC油浴反應6h后制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的聚乙烯吡咯烷酮的用量為氧化石墨質(zhì)量的1 10倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的抗壞血酸的用量為氧化石墨質(zhì)量的2 4倍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的稀釋是指向聚乙烯吡咯烷酮_石墨烯復合物中加入4 50倍體積的水。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的單層膜的厚度為1 2nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的金屬電極為金電極或銀電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的金屬電極的厚度為50 100nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的基體為二氧化硅/硅或云母。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，其特征是，所 述的真空干燥處理是指在真空干燥箱8(TC下處理24小時。
全文摘要
一種納米材料技術(shù)領域的基于石墨烯復合物的濕度傳感器的制備方法，通過將聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯復合物稀釋后以單層膜的形式旋涂于基體表面，然后在單層膜上電鍍一層金屬電極并經(jīng)真空干燥處理后，制成濕度傳感器。本發(fā)明利用聚乙烯吡咯烷酮-石墨烯的良好吸濕性和導電性，通過旋涂方法在基底表面形成濕敏復合物的單層膜，在不同濕度下通過導電原子力顯微鏡測量的I-V曲線來檢測復合物對濕度的靈敏度。
文檔編號G01N27/12GK101793856SQ201010142768
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者張佳利, 沈廣霞, 王萬君, 郭守武 申請人:上海交通大學