三维层构石墨烯薄膜阵列痕量物质探测性能与机理研究

传统的气体传感器和电化学生物传感器材料在其痕量物质探测极限和灵敏度方面都受到了一定的限制。由于石墨烯独特的单层碳网络二维晶体结构和具有显著特点的大比表面积和力学、电学与电化学性能，其在新一代的痕量物质、甚至于单分子探测性能方面潜在着巨大的应用前景。本项目提出层构三维石墨烯阵列薄膜结构的痕量物质传感器器件。将理论计算与气体传感和电化学生物传感痕量物质探测性能实验测试相结合，研究具有层构三维阵列结构的石墨烯薄膜传感器与外界分子之间的相互作用机理与性能。达到提高新一代传感器痕量物质探测极限和灵敏度的目的。得到3-5种具有痕量物质探测，甚至于单分子探测能力的实验数据和传感器原型（气体传感器1-3个达到ppb量级探测能力，灵敏度达到2以上；电化学生物传感器1-2个达到nM量级探测水平，灵敏度达到1000 μAmM-1 cm-2以上）。

四年来，项目研究围绕着中心研究内容，分别进行了化学气相沉积法石墨烯生长及其机理研究、石墨烯及其掺杂石墨烯气体传感性能理论研究、连续孔隙多孔金属氧化物纳米结构设计及其气体传感器性能与机理研究。取得了如下重要研究结果：1、在硅、氧化硅和蓝宝石等基底上分别制备出单层或者双层的大面积均匀石墨烯薄膜；2、设计的连续孔隙多孔氧化铁纳米棒气体传感器将响应和恢复时间从10秒以上缩短到1秒一下，并且可以实现恢复时间不长于响应时间，在世界上属于首次；3、提出了目标气体分子准印迹机制设计制作高灵敏度气体传感器的思想，使得所设计的乙醇、丙酮、一氧化碳和氨气传感器比与原来的传感器灵敏度提高了5倍左右，响应和恢复时间也有很大的改善；4、在石墨烯基气体传感器理论研究方面，分别计算了B和N掺杂的石墨烯对NO2、 NO 、NH3和甲烷分子的吸附行为及其机理，得到国际专家认可。