[00139403]基于石墨烯纳米复合材料的MEMS电化学传感器电极修饰材料制备与应用研究

气体传感器作为传感器类型中重要的一类,赋予各种机构或设备“鼻子”的功能,随着电路集成化程度越来越高,传统的气体传感器在微型化集成电路上的应用遭遇了瓶颈。传统半导体气体传感器的敏感材料一般都是以金属氧化物为主,需要在较高温度下工作,传感器尺寸往往比较大,很难满足集成化的要求。二维材料的成功制备,以及优异的性能（纳米尺寸、超大的比表面积等）,让它们有作为敏感材料应用于半导体气体传感器的巨大潜力。本研究重点展开了气体小分子在二维材料表面吸附行为的研究。针对目前已经报道的二维材料（penta-graphen、penta-BP5、BN、AlN、GaN、InN、BP和P）,通过Materials Studio建立二维材料原子结构模型,并在此基础上构建小分子和二维材料吸附体系。通过第一性原理计算方法计算了吸附体系的吸附能、电荷转移量、以及气体小分子吸附前后二维材料的电学性能等。通过分析相关计算结果并进行深入讨论,本研究发现了如下结论： 1、石墨烯作为导体并不能直接用于MEMS器件敏感材料,而penta-graphene作为一种半导体二维材料具有很好的应用前景。NO分子吸附在本征PG上的吸附能和电荷转移都比较小,吸附距离大于化学键的距离和物理吸附的最佳距离;由于吸附能大,吸附距离足够小,Al-doped PG上NO分子被强吸附,可能发生轨道杂化;NO分子的取向和Al的掺杂位点对NO- pg体系的吸附行为有显著影响。相关的研究工作发表在电子封装技术国际会议（ICEPT）论文集上。 2、计算了CH2O、CO、CO2、SO2、O2和NO在penta-BP5表面吸附体系的结构和电学性能参数。从头算分子动力学验证了气体吸附结构的稳定性,所有的吸附体系都能够在300 K的温度下保持相对稳定的状态。通过分析吸附能、电荷转移量和电子密度图等,可以发现CH2O、CO、CO2和SO2在基底的表面吸附行为趋向于物理吸附。除此之外,对于CH2O和SO2吸附在penta-BP5表面时伴随着较大的电荷转移量,并且在电子密度差分图里观察到相应的电荷分布。penta-BP5的能带结构和态密度在CH2O和SO2吸附之后发生明显的变化,意味着CH2O和SO2的吸附对penta-BP5的电学性质有明显的影响,表明penta-BP5可以应用于CH2O和SO2的检测。值得一提的是,由于这两种气体的吸附行为是属于物理吸附,在吸附过程中并没有形成新的化学键,气体小分子在吸附后很容易从penta-BP5表面脱吸附。从理论计算数据上的分析来看,penta-BP5对于这两种气体的检测灵敏度可能比蓝磷烯好。对于O2和NO在penta-BP5的吸附行为,研究结果表明是趋向于化学吸附的,吸附过程中伴随着很大的吸附能和电荷转移量,而且气体小分子和基底间有新的化学键形成。因此,penta-BP5可以应用于O2和NO的一次性检测或者相关气体小分子的催化反应。相应成果已经发表在SCI期刊《Chemical Physics Letters》和《Nanoscale Research Letters》上。 3、前面的研究中发现penta-BP5有作为敏感材料应用于CH2O气体的检测。考虑到目前材料制备技术的局限性,penta-BP5短时间内不会被广泛应用。本研究通过第一性原理计算方法,专门展开了CH2O小分子在单层BN、AlN、GaN、InN、BP和P表面吸附行为的研究。本研究计算了CH2O在六种基底表面吸附体系的最稳定结构,电荷转移量和电学性能参数。对于CH2O小分子吸附在BN、GaN、BP和P的表面,通过电子密度图切片没有发现明显的成键趋势,意味着CH2O在它们表面的吸附行为趋向于物理吸附。通过计算分析吸附体系的能带结构和态密度,可以发现CH2O吸附前后BN、AlN、GaN、InN和P的电学性能发生了明显的改变。由于CH2O的在GaN表面的吸附行为趋向于物理吸附,而且CH2O小分子和基底间有明显的电荷转移,以及足够大的吸附能,GaN是这几种材料里最适合运用于CH2O气体小分子检测的。至于CH2O在AlN和InN表面,通过电子密度图切片可以发现小分子和基底之间有新的化学键形成,吸附行为趋向于化学吸附,并伴随着较大的吸附能和电荷转移量,考虑到化学吸附导致小分子脱吸附困难,单层AlN和InN适合应用于一次性CH2O气体检测或者相关的催化反应。相关研究成果已经发表在SCI期刊《Materials》和《Coattings》期刊上。 4、经氧化石墨烯/碳纳米管复合材料修饰过的电极对三种气体（NO, NO2和H2）的浓度检测极限都达到了μM级别（PPM级别）,其中对NO2检测性能最佳,低于0.1 ppm。对NO和H2的检测限较NO2依次稍弱。考虑到NO和H2浓度变化对敏感度Rs/Ro的影响并不明显,认为制备的修饰电极更适合NO2检测。