客户成果丨北京理工大学《ACS Applied Materials & Interfaces》：SiO2/Si衬底上不同原子层石墨烯的感湿性能

北京理工大学集成电路与电子学院范绪阁教授团队石墨烯湿度传感器领域取得最新进展，该研究成果以“Humidity Sensing Properties of Different Atomic Layers of Graphene on the SiO2/Si Substrate”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

由于石墨烯具有较好的力学、电学性能以及超大比表面积使得石墨烯在传感领域拥有较大的潜力。近年来，基于石墨烯的湿度传感器快速快发展，使得系统研究石墨烯层数对石墨烯湿度传感器的影响变得尤为重要。

图1. a,d 单层石墨烯器件的SEM图像；b,e 双层石墨烯器件的SEM图像；c,f 三层石墨烯器件的SEM图像；g-i 分别为单层、双层、三层石墨烯薄膜的拉曼光谱。

图1 利用石墨烯技术与微纳加工技术的兼容性，制备了基于不同层数石墨烯薄膜的湿度传感器，并对其进行SEM表征和拉曼表征。根据图a-f，可以看出随着石墨烯层数增加，SEM图像逐渐清晰。不同层数的拉曼光谱，在图g-i中展示。

图2 a,b 单层石墨烯器件不同传感面积的湿度响应；c,d 双层石墨烯器件不同传感面积的湿度响应；e,f 三层石墨烯器件不同传感面积的湿度响应；g 不同层数不同传感面积石墨烯湿度传感器的响应对比。

图2 不同层数石墨烯薄膜的湿度传感器,在湿度变化下的电阻响应被记录。可以清楚的看到，随着石墨烯薄膜厚度的增加，在相同湿度变化下湿度传感器的响应逐渐下降。单层石墨烯湿度传感器的响应，可以达到三层石墨烯湿度传感器响应的5倍。这可能是由于石墨烯层数的增加，水分子与二氧化硅缺陷之间的作用力减弱，减少了二氧化硅缺陷对石墨烯的掺杂作用。

图3 a,b 单层石墨烯湿度传感器响应与恢复时间；c,d 双层石墨烯湿度传感器响应与恢复时间；e,f 三层石墨烯湿度传感器响应与恢复时间；g 不同层数石墨烯湿度传感器响应时间的对比；h 不同层数石墨烯湿度传感器回复时间的对比。

图3 不同层数石墨烯湿度传感器的响应与恢复时间，可以看到单层、三层石墨烯湿度传感器的响应与恢复时间较短，双层石墨烯湿度传感器的响应与恢复时间较长。单层石墨烯湿度传感器得益于石墨烯薄膜单个原子层的厚度，响应与恢复时间较快，三层石墨烯由于厚度较大，性质比较偏向石墨，响应时间与恢复时间较快。对于双层石墨烯，底层石墨烯由于二氧化硅的影响使其具有亲水性，会将水分子通过顶层石墨烯的缺陷捕获到顶层石墨烯与底层石墨烯之间，使得响应时间与恢复时间加长。

本文系统研究了石墨烯层数对石墨烯湿度传感器的灵敏度、响应时间与恢复时间的影响，为基于石墨烯湿度传感器的快速发展奠定了基础。

该工作中通过使用TuoTuo Technology无掩膜光刻机完成了石墨烯湿度传感器的制备工作。

作者信息：北京理工大学前沿交叉科学研究院硕士生高强为文章的第一作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院范绪阁教授为文章的通讯作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c11194