石墨烯气体探测器
石墨烯薄膜用途
石墨烯薄膜用途石墨烯是一种由碳原子排列成六角形的单层薄膜，具有许多引人注目的特性，因此具有广泛的应用潜力。
石墨烯薄膜在许多领域都具有重要的用途，以下将详细介绍。
首先，石墨烯薄膜在电子学领域具有重要的用途。
由于石墨烯是一种具有导电性的材料，电子在其表面可以以极快的速度移动，使得石墨烯可以用作高性能晶体管材料。
石墨烯晶体管可以替代传统的硅晶体管，具有更高的电子迁移率和更低的能耗。
此外，石墨烯还具有非常好的光透过性，可以用于制造透明导电薄膜，用于触摸屏、太阳能电池等器件。
其次，石墨烯薄膜在能源领域有着广泛的应用前景。
石墨烯具有高度的机械强度和良好的柔韧性，可以用来制造超级电容器和锂离子电池等储能装置，具有更高的能量密度和更长的循环寿命。
石墨烯还可以用作太阳能电池的电极材料，可以提高太阳能电池的转化效率。
第三，石墨烯薄膜在化学领域也具有重要的用途。
由于石墨烯具有大量的表面活性位点和高度的化学稳定性，可以用作吸附材料和催化剂载体。
石墨烯可以吸附和催化许多有机物和无机物，具有广泛的应用潜力，例如水处理、废气净化和有机合成等领域。
此外，石墨烯薄膜在传感器技术方面也有广泛的应用。
由于石墨烯具有极高的比表面积和超好的电子传输特性，可以制造出高灵敏度和高选择性的传感器。
石墨烯传感器可以用于检测环境中的气体、液体和生物分子，例如气体传感器可用于检测有害气体，生物传感器可用于检测疾病标志物。
最后，石墨烯薄膜在光学和光电子学领域也有着重要的应用。
由于石墨烯可以吸收从紫外线到远红外线的光谱范围内的光线，并产生极高的光电转换效率，因此可以用来制造光探测器、光学调制器和激光器等器件。
此外，石墨烯还具有优异的非线性光学性质，可以用于制造光学逻辑门和光通信设备。
总之，石墨烯薄膜具有广泛的应用潜力，并在电子学、能源学、化学、传感器技术、光学和光电子学等领域都有着重要的用途。
随着石墨烯材料研究的不断深入，相信石墨烯的应用前景会在未来得到更加广泛的开发和应用。
石墨烯的应用
石墨烯的应用
石墨烯是一种具有单层碳原子排列成的二维晶格结构的材料，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的石墨烯应用：
1.电子器件：由于石墨烯具有高电子迁移率、高载流子迁移率和优异的电导率，因此被广泛应用于电子器件中，如场效应晶体管（FET）、透明导电膜、逻辑电路等。
2.光学器件：石墨烯具有宽带隙和高吸收率的特点，可用于太阳能电池、光电探测器、激光器等光学器件中，提高光电转换效率和传感性能。
3.储能设备：石墨烯在锂离子电池、超级电容器等能量存储设备中具有重要应用。
其大表面积、高电导率和快速离子传输性能有助于提高能量密度和充放电速度。
4.传感器：石墨烯具有高比表面积和化学惰性，可用于气体传感器、生物传感器等传感器设备中，检测环境中的气体、生物分子等。
5.强化材料：石墨烯可以增强复合材料的力学性能，提高材料的强度、刚度和耐磨性，常用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。
6.生物医学：石墨烯在生物医学领域具有潜在应用，可用于药物输送、生物成像、组织工程等。
其生物相容性和表面修饰的可调控性使其成为生物医学材料的研究热点。
7.热管理：石墨烯具有优异的热导率和导热性能，可用于热界面材料、散热器、导热膏等热管理领域，提高热传递效率。
总的来说，石墨烯作为一种多功能的纳米材料，在电子学、光学、能源、生物医学和材料科学等领域都有着广泛的应用前景。
石墨烯有什么用
石墨烯有什么用作者：沐右2010年，Geim和Novoselov因为石墨烯的工作获得了诺贝尔物理学奖。
这个奖给很多人都留下了深刻的印象，毕竟不是每一个诺奖的实验工具都像胶带纸一般亲民常见，也不是每以个的研究对象都像―二维晶体‖石墨烯那样神奇又易于理解。
而2004年的工作能够在2010年就获奖，在最近一些年诺贝尔奖的记录上也是不多见的。
石墨烯（Graphene）是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质。
和金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管还有无定形碳一样，它是一种单纯由碳元素构成的物质（单质）。
如下图所示，富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的[1]，而石墨正是由很多层石墨烯堆叠成的。
利用石墨烯来描述各种碳单质（石墨、碳纳米管和石墨烯）性质的理论研究持续了近六十年，但是普遍认为这样的二维材料是难以稳定地单独存在的，只有依附在三维的衬底表面或者在像石墨那些的物质内部。
直到2004年Andre Geim 和他的学生Konstantin Novoselov通过实验[2] ，从石墨里面剥离出来了单层的石墨烯，关于石墨烯的研究才获得了新的发展。
富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的，而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的。
如今，石墨烯可以通过很多种方法获得，不同的方法各有利弊。
Geim和Novoselov获得石墨烯的方法很简单，他们用超市就能买到的透明胶带，从一块高序热解石墨中剥离出了仅有一层碳原子厚度的石墨薄片——石墨烯。
这样方便但是可控性并不那么好，而且只能获得大小在一百微米（十分之一毫米）以下的石墨烯，能够拿来做实验但是很难拿来做实际的应用[1]。
化学气相沉积可以在金属表面上生长出数十厘米大小的石墨烯样品，虽然取向一致的区域大小最高只有一百微米[3,4]，但是已经适合某些应用的产品生产需求。
另外一种比较常见的方法是将碳化硅（SiC）晶体在真空中加热到1100摄氏度以上，使得表面附近的硅原子蒸发掉，而剩余的碳原子重新排布，也能获得性质相当不错的石墨烯样品[5]。
石墨烯光电探测器
石墨烯光电探测器第一节纯石墨烯光电探测器2.1.1 石墨烯光电探测的相关原理有关石墨烯光电探测和光电子应用的关键原理已经被报道。
这里包括光伏效应，光的热效应，热辐射效应，光选择效应和等离子体波辅助机制。
（a）（b）（c）（d）图2.1 石墨烯光电探测原理（a）光伏效应；（b）光热电效应；（c）测辐射热效应；（d）辅助的等离子体波机制(引自[27])光伏效应光伏电流来源于由不同掺杂区域连接处内部电场或外置电场所产生的光生电子分离。
石墨烯是半导体，自身会产生了大量的暗电流，不适于外置电路。
内置区域可以用本身的化学掺杂，通过选通脉冲产生静电效应或者通过利用好在石墨烯和金属接触点的功函数差别来引入。
石墨烯通道可为P型或N型。
光电流的方向仅依赖于电场，而非整体的掺杂程度。
因而其可从p-n到n-p，或者从p-p+到p+-p之间转换信号。
光热电效应辅助热载流子输运在石墨烯中扮演重要地位。
由于这种强烈的电子-电子相互作用，光激电子对可以给载流子快速（~10-50fs）加热。
因为光频声子能量（~200meV）在石墨烯中很大，辐射产生的热载流子可以保持在一个温度上。
最终热电子会与晶格之间得到平衡。
光生热电子通过光热电效应（即PTE或塞贝克效应）产生光电压=（-），其中（在V ）是不同掺杂石墨烯区域的热电动力（温差电势率），是不同区域电子温度差。
辐射热效应辐射热效应与由入射光子产热导致的输运电导率变化相关。
一个辐射热计可以通过吸收入射辐射dP，并读出导致的温度变化量dT来测量电磁辐射的强度。
辐射热计的关键常数有电阻=dT/dP，还有热容量，其决定了响应时间=[28]。
石墨烯有很小的体积和很低的态密度，因而得到很低的和一个很高的响应度。
这里不直接产生的光电流，而要求有外置的偏压，不需要引进p-n结。
由入射光引起的电导率变化可归于以下两种机制：⑴由于相关温度改变引起载流子迁移率的改变；⑵对电流有贡献的载流子数目的改变（如PV效应)。
石墨烯气体传感器
对常见气体检测情况
目标气体 材料组成
掺钯的多层石墨烯纳米带 网 化学气相沉积石墨烯薄膜 石墨烯片 聚乙烯吡咯烷酮－还原氧 化石墨烯复合材
检测范围
40~8000mg/ L
乙醇
硫化氢 氨气
25~10000mg /L 相对湿度 30%~90% 氧化锌－石墨烯复合材料 10~40mg/L 氧化锌－石墨烯复合材料 2mg/L 三维石墨烯泡沫 20~100mg/L
石墨烯气体传感器
辛超 学号：M201472140
主要内容
石墨烯及其性质
石墨烯气体传感器
一种另类的石墨烯气体传感器
石墨烯结构
如图为石墨烯结构图。 它是是一种由碳原子 以sp2杂化轨道组成六 角型呈蜂巢晶格的平 面薄膜，只有一个碳 原子厚度的二维材料。 。
基本结构示意图
石墨烯的特性
电阻率小 高机械强度和弹性
透明度高
石墨烯 的性质
结构稳定
导热性好
电子传导速率最快
石墨烯性质
电学性质
零带宽载流子迁移率：200000cm2∙V‐1∙s‐1 室温量子霍尔效应 双极化电场效应 断裂强度：~125GPa 杨氏模量：~1000GPa
机械性质
热学性质
化学性质 光学性质
热导率：~5000W∙m‐1∙K‐1
基本结构
选定特定的绝缘陶瓷衬底，在此衬底表面涂覆或生长石墨烯材料 或石墨烯／半导体复合材料作为气敏材料，在气敏材料两端引出 电极，电极接入检测电路即可获得一个气体传感器。 根据所用石墨烯的来源不同可分为 一下几大类：
剥离石墨烯片气体传感器
还原氧化石墨烯气体传感器 CVD生长石墨烯气体传感器
比表面积：~2630m2∙g‐1 在较宽波长范围内吸收率约2.3%
二维单质材料及其在气体传感器中的应用
36新技术·新业务·行业应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2024.03.009二维单质材料及其在气体传感器中的应用［吴家隐 刘志发 陈浩东 梁同乐 李先绪］二维材料具有了高载流子迁移率、电导率和热导率等优点，因此成为目前研究的热点。
近几年,随着石墨烯、磷烯、锑烯、碲烯以及锡烯等二维单质材料的兴起,越来越多的报道证明了二维单质材料用于气体传感的可行性与选择性探测的潜力。
二维单质材料可以降低敏感材料的维度,提高比表面积，进而极大的增加了气体传感器的灵敏度，能够在相对较低的温度下提供实时、在线的气体传感。
总结了近些年二维单质材料的最新研究进展,介绍二维单质材料的反应机理及其优势和特点,最后对该研究方向的发展进行了展望。
吴家隐广东邮电职业技术学院，副研究员，博士研究生，研究方向：物联网、传感器。
刘志发广东邮电职业技术学院，大专，研究领域：人工智能。
陈浩东广东邮电职业技术学院，大专，研究领域：人工智能。
梁同乐广东邮电职业技术学院，副教授，研究领域：云计算。
李先绪中国电信股份有限公司研究院，高级工程师，硕士。
关键词：二维单质材料 气体传感 石墨烯 磷烯 锑烯 碲烯 锡烯摘要1 引言随着工业化的推进和经济的发展，化石燃料大量消耗，污染物排放迅速增长，我国正面临越来越严峻的环境污染形势。
在环境污染物中，污染气体严重破坏生态环境，威胁着人们的身体健康。
主要大气污染物包括氨氮化合物、二氧化硫、氮氧化物、有机污染气体以及重金属等物质。
这些污染物的来源跟工业和生活息息相关。
在燃煤发电中，将产生大量的二氧化硫（SO 2）、氮氧化合物（NO x ）、氯化氢（HCl ）、重金属及其化合物以及气态有机污染物[1]。
其中，气态有机污染物主要包有易挥发性有机化合物（Very V olatile Organic Compounds ，VVOC ）、挥发性有机化合基金项目：2022年广东省科技创新战略专项资金（大学生科技术创新培育）(pdjh2023b0915)；2022年度广东省普通高校重点科研平台和科研项目特色创新项目(2022KTSCX289)；2023年度广东省普通高校重点科研平台和科研项目新一代电子信息(半导体)重点领域专项(2023ZDZX1069)；广东邮电职业技术学院质量工程项目（2023094、2023118、202201）。
【国家自然科学基金】_气体探测器_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
科研热词 气体探测器 高计数率 气体电子倍增器 时间分辨 微通道板 分辨率 中子探测器 黑硅 高能物理 高空间分辨率 预处理 非色散紫外 非分散红外 阿秒测量 阴燃 重离子物理 进展 输出数据 辐射转换体 辐射传递 转移 转换率 转换数据 转换效率 转换体 超快激光 读出电子学 计算机 蚀刻工艺 蒙特卡罗方法 膜结构 腐蚀速率 脉冲高度分布 脉冲时间结构 能量分辨 耐高温 红外成像 系统设计 粒子探测器 碳化硅 研制 石墨烯纳米带 石墨烯晶体管 相位确定法 电离层综合探测器 电子结构 瓦斯含量 热中子照相 激波辐射 测试阶段 气动热辐射 气体辐射
53 airs 54 220rn干扰
1 1
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
石墨烯材料在现代生活中的应用
石墨烯材料在现代生活中的应用
石墨烯是由碳原子单层组成的二维材料，具有许多独特的性质，使其在现代生活中有广泛的应用。
1. 电子技术：石墨烯具有优异的电导率和电子迁移率，在电子器件中有重要应用。
例如，石墨烯可用于制造更快的晶体管和更小的芯片，以增强电子设备的性能和效率。
2. 光电器件：石墨烯对光的吸收率非常高，可用于制造传感器、光电探测器和光学元件。
由于其超薄透明性，石墨烯还可应用于柔性显示屏和触摸屏等领域。
3. 可穿戴设备：石墨烯具有柔性、轻薄和耐用的特性，使其适合用于制造可穿戴设备。
例如，石墨烯传感器可用于监测生物指标（如心率和体温），以及制作柔性电池和柔性电子电路。
4. 能源存储：石墨烯材料在能源存储方面有很大潜力。
石墨烯超级电容器可以用于高效储能和快速充电，而石墨烯包覆的锂离子电池材料可提高电池容量和循环寿命。
5. 过滤和分离技术：石墨烯具有纳米孔隙结构，可用于过滤和分离杂质、气体和液体。
例如，在水处理中，石墨烯薄膜可以用于去除污染物和重金属。
6. 生物医学应用：石墨烯对生物体相容性良好，并可用于生物传感器、药物传递和细胞成像。
它可以用于癌症治疗、组织工程和生物传感器等领域。
总之，石墨烯材料在电子技术、光电器件、可穿戴设备、能源存储、过滤和分离技术以及生物医学应用等方面具有巨大的潜力，将在现代生活中发挥重要作用。
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气体探测器原理分类
气体探测器检测原理的核心部件是传感器,按传感器划分有催化 燃烧式传感器,电化学传感器,半导体传感器,红外传感器和光离子 传感器. 催化燃烧式传感器属于高温传感器，其工作原理是气敏材料(如 Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂 作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发 生变化。 电化学传感器属于精密型传感器，电化传感器通过与目标气体 发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电 化传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成。
石
墨
烯气体探测器
姓名：李明 班级：光科0802班 学号：012105369
石墨烯简介
石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混 成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体 单层二维晶体。石墨烯可想像为 单层二维晶体 由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，厚度 厚度仅为头发的20 厚度 万分之一，是构建其它维数碳质材料的基本单元。完美的石墨 烯是二维的，它只包括六边形。石墨烯的问世引起了全世界的 研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬， 在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子 尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。
石墨烯气体探测器发展现状
国际：近日美国伦斯勒理工学院的科学家利用石墨烯泡沫研制出了一款小 巧、便宜且能重复使用的新式气体传感器，其性能远远超过市面上商用传 感器。这种用石墨烯泡沫研制出的传感器，在室温下可以很好的工作，使 用非常便携，简单，是一种可靠的手持传感设备，今后将广泛得到应用。 国内：近期，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所器件部刘立伟课题组 李伟伟等与中科院物理所科研人员合作，在制作基于石墨烯的高灵敏一氧 化氮气体传感器方面取得进展。
Hale Waihona Puke 半导体传感器属于广谱型传感器，其工作原理是金属氧化物半 导体的表面在吸收气体后，电阻发生变化。 红外传感器属于精密型传感器，它具有相当好的测量针对性。 目前主要检测低碳链碳氢化合物和CO2。 光离子传感器PID有一个紫外光源,化学物质在它的激发下产生正、 负离子就能被检测器轻易探测到。当分子吸收高能紫外线时就 产生电离，分子在这种激发下产生负电子并形成正离子。这些 电离的微粒产生的电流经过检测器的放大，就能在仪表上显示 ppm级的浓度。这些离子经过电极后很快就重新组合到一起变成 原来的有机分子。在此过程中分子不会有任何损坏； PID不会 “烧毁”也不用经常更换标样气体。
进 度 安 排
第15周
3/23/2012
第16周
谢谢观赏
时间 第1、2周 第3、4周 第5、6周 第7、8周 第 、1 周 第11、12、13、14周
任务 文献检索和阅读 对课题形成整体认识，准 备开题报告 对石墨烯以及探测器综述 方面资料整理工作完成 查找关于内置电路方面的 资料 对 整理内 ，准备 石墨烯 内置电路 文 文 ， 文 文 检查 关 ， 完成
石墨烯特性
1.导电性：石墨烯是零带隙半导体 零带隙半导体具备独特的载流子特性和优异的电学质量。 零带隙半导体 2.机械特性：石墨烯是人类已知强度最高 强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世 强度最高 界上最好的钢铁还要高上100倍。 3.电子运输：在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许 任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。 4.电子的相互作用：石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而 且电子和电子之间也有很强的相互作用。 5.化学性质：至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸 附和脱附各种原子和分子。
3/23/2012
石墨烯气体探测器基本原理
我研究的主要是石墨烯检测CO气体，基本原理是：通过石墨 烯吸收CO改变电导，通过电导的变化来得知气体浓度的变化。 先用多组已知浓度的CO气体观察浓度与石墨烯电导的变化关 系，得到一个浓度与电导的关系。最后通过电导的变化探测 浓度的变化。当浓度超过规定浓度时报警并显示当前浓度值。 后期通过设计检测电路，显示电路，报警电路以及检测器的 具体结构进而完善整个设计步骤 并完成实验。