一种基于硝化石墨烯的氨气传感器及其制备方法

1.本发明涉及石墨烯技术领域，尤其涉及一种基于硝化石墨烯的氨气传感器及其制备方法。

背景技术：

2.氨气是工业中常见的一种有毒气体，如果大量的暴露，会损害人体细胞，对皮肤、眼睛和呼吸道造成伤害。此外，氨气也是诊断人体肺部或肾脏等相关疾病的关键标志物之一。
3.自石墨烯发现以来，已被大量运用于氨气传感器的研究。目前，最为常见的便是石墨烯
‑
金属氧化物、石墨烯
‑
导电复合材料这两种结构的设计。石墨烯
‑
金属氧化物结构的设计，普遍存在工作温度过高，灵敏度低等问题；而石墨烯
‑
导电复合材料结构的设计虽然降低了工作温度，但仍存在制作过程复杂，性能不稳定、重复性较低等突出问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于硝化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中石墨烯氨气传感器工作温度过高，灵敏度低，重复性差的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于硝化石墨烯的氨气传感器，包括基底、金属层和石墨烯层，所述金属层沉积在所述基底上，所述石墨烯层为图形转移层，并位于所述金属层的上表面。
6.本发明还提供了一种基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，包括下列步骤：
7.提供基底；
8.在所述基底上沉积金属层，并形成图案化金属结构；
9.将石墨烯转移至所述图形化金属结构表面；
10.图案化所述石墨烯；
11.硝化处理后获得成品。
12.其中，所述基底的材料为氧化硅片、石英片、陶瓷片或玻璃片，所述氧化硅片的氧化层厚度为100nm。
13.其中，在所述基底上沉积金属层，并形成图案化金属结构的过程中，采用光刻技术和磁控溅射，在所述基底上沉积一层金属，沉积的金属种类为ti、pt、w、al或au。
14.其中，在将石墨烯转移至所述图形化金属结构表面的过程中，所述石墨烯通过化学气相沉积法生长获得，所述石墨烯层可为单层、双层或少层，少层的数值为3～10层，石墨烯通过湿法刻蚀转移至所述图形化金属结构表面。
15.其中，所述湿法刻蚀包括下列步骤：
16.配置1mol/l
‑
2mol/l的过硫酸铵溶液；
17.取化学气相沉积法生长的石墨烯，在所述石墨烯表面旋涂一层pmma，得到pmma/石墨烯/铜箔结构；
18.将所述pmma/石墨烯/铜箔结构置于所述过硫酸铵溶液中，去除铜箔，得到pmma/石墨烯结构；
19.将所述pmma/石墨烯结构经去离子水漂洗后，用载玻片转移至目标基底，得到pmma/石墨烯/基底结构；
20.将所述pmma/石墨烯/基底结构放置于真空干燥柜中，促使石墨烯与所述基底紧密贴合，随后用丙酮溶液去除pmma，得到石墨烯/基底结构，石墨烯转移完成。
21.其中，在图案化所述石墨烯的过程中，选取所述石墨烯/基底结构，采用光刻技术在所需位置覆盖一层光刻胶，最后去除多余部分石墨烯，实现图案化石墨烯。
22.其中，在硝化处理后获得成品的过程中，使用的硝酸浓度为20％
‑
68％，在60℃
‑
65℃下处理30s
‑
120s。
23.本发明提出了一种基于硝化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，通过在所述基底沉积金属结构，再采用湿法刻蚀技术将石墨烯转移至金属结构表面，接着利用光刻技术以及等离子去胶机设备去除多余部分石墨烯，实现图案化石墨烯，将形成的石墨烯器件置于硝酸溶液中，控制硝酸浓度、处理温度及时间等制备参数，获得所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器，制备的传感器结构简单，成本低廉，同时具有灵敏度高、响应速度快、重复性好、常温下工作、测量浓度下限低等特点，解决了现有技术中石墨烯氨气传感器存在的技术问题。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明的一种基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法的流程示意图。
26.图2是本发明的一种基于硝化石墨烯的氨气传感器的结构示意图。
27.图3是本发明的一种基于硝化石墨烯的氨气传感器硝化前后灵敏度对比数据图。
[0028]1‑
基底、2
‑
金属层、3
‑
石墨烯层。
具体实施方式
[0029]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0030]
请参阅图1，本发明提出了一种基于硝化石墨烯的氨气传感器，包括基底1、金属层2和石墨烯层3，所述金属层2沉积在所述基底1上，所述石墨烯层3为图形转移层，并位于所述金属层2的上表面。
[0031]
请参阅图2，本发明还提供了一种基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，包括下列步骤：
[0032]
s1：提供基底；
[0033]
s2：在所述基底上沉积金属层，并形成图案化金属结构；
[0034]
s3：将石墨烯转移至所述图形化金属结构表面；
[0035]
s4：图案化所述石墨烯；
[0036]
s5：硝化处理后获得成品。
[0037]
所述基底的材料为氧化硅片、石英片、陶瓷片或玻璃片，所述氧化硅片的氧化层厚度为100nm。
[0038]
在所述基底上沉积金属层，并形成图案化金属结构的过程中，采用光刻技术和磁控溅射，在所述基底上沉积一层金属，沉积的金属种类为ti、pt、w、al或au。
[0039]
在将石墨烯转移至所述图形化金属结构表面的过程中，所述石墨烯通过化学气相沉积法生长获得，所述石墨烯层可为单层、双层或少层，少层的数值为3～10层，石墨烯通过湿法刻蚀转移至所述图形化金属结构表面。
[0040]
所述湿法刻蚀包括下列步骤：
[0041]
配置1mol/l
‑
2mol/l的过硫酸铵溶液；
[0042]
取化学气相沉积法生长的石墨烯，在所述石墨烯表面旋涂一层pmma，得到pmma/石墨烯/铜箔结构；
[0043]
将所述pmma/石墨烯/铜箔结构置于所述过硫酸铵溶液中，去除铜箔，得到pmma/石墨烯结构；
[0044]
将所述pmma/石墨烯结构经去离子水漂洗后，用载玻片转移至目标基底，得到pmma/石墨烯/基底结构；
[0045]
将所述pmma/石墨烯/基底结构放置于真空干燥柜中，促使石墨烯与所述基底紧密贴合，随后用丙酮溶液去除pmma，得到石墨烯/基底结构，石墨烯转移完成。
[0046]
在图案化所述石墨烯的过程中，选取所述石墨烯/基底结构，采用光刻技术在所需位置覆盖一层光刻胶，最后去除多余部分石墨烯，实现图案化石墨烯。
[0047]
在硝化处理后获得成品的过程中，使用的硝酸浓度为20％
‑
68％，在60℃
‑
65℃下处理30s
‑
120s。
[0048]
以下为本发明的一个具体实施例：
[0049]
经过以下五个步骤完成所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备。
[0050]
一、硝化石墨烯传感器制备步骤
[0051]
1.1.提供一个氧化硅片；
[0052]
1.2.采用光刻技术，在所述硅片上沉积金属，形成金属/氧化硅结构；
[0053]
1.3.将cvd法生长的石墨烯进行湿法刻蚀，转移至上述金属/氧化硅结构，形成石墨烯/金属/氧化硅结构；
[0054]
1.4.再次采用光刻技术对上述结构进行套刻以图案化石墨烯，石墨烯传感器初步完成；
[0055]
1.5.将上述石墨烯传感器置于硝酸溶液中，对石墨烯进行化学修饰，最终完成高灵敏度硝化石墨烯氨气传感器的制备；
[0056]
二、湿法刻蚀转移石墨烯
[0057]
2.1.配置1mol/l
‑
2mol/l的过硫酸铵溶液；
[0058]
2.2.取化学气相沉积法生长的石墨烯，在其表面旋涂一层pmma，得到pmma/石墨烯/铜箔结构；
[0059]
2.3.将上述pmma/石墨烯/铜箔结构置于配置的过硫酸铵溶液中，去除铜箔，得到pmma/石墨烯结构；
[0060]
2.4.将上述pmma/石墨烯结构经去离子水漂洗后，用载玻片转移至目标基底，得到pmma/石墨烯/目标基底结构；
[0061]
2.5.将上述pmma/石墨烯/目标基底结构放置于真空干燥柜中，促使石墨烯与目标基底紧密贴合，随后用丙酮溶液去除pmma，得到石墨烯/目标基底结构，石墨烯转移完成；
[0062]
三、图案化石墨烯
[0063]
3.1.取石墨烯/目标基底结构，再利用光刻技术，在所需位置覆盖一层光刻胶，同时暴露多余部分石墨烯；
[0064]
3.2.将经过上述处理后的石墨烯器件置于等离子去胶机中，去除多余部分石墨烯，实现图案化石墨烯；
[0065]
3.3.取上述图案化石墨烯后器件，放置于丙酮溶液中，去除光刻胶后真空干燥，硝化石墨烯氨气传感器初步完成；
[0066]
四、光刻技术
[0067]
4.1.提供一氧化硅片；
[0068]
4.2.将上述氧化硅片置于匀胶机中并用胶头滴管取光刻胶覆盖于氧化硅片上，设置匀胶机转速，促使氧化硅片上覆盖的光刻胶厚度均匀一致；
[0069]
4.3.将上述覆盖光刻胶后的氧化硅片放置于加热板上，对光刻胶进行“硬化”，随后再置于光刻机中进行曝光；
[0070]
4.4.取曝光后的氧化硅片放置于显影液中，随后用去离子水去除多余显影液，光刻完成；
[0071]
4.1中所述氧化硅片氧化层厚度在100nm左右；
[0072]
4.2中匀胶机转速设置为低速450r/10s，高速为4000r/40s，旋涂后光刻胶厚度大概为1.4um；
[0073]
4.3中对于az5214光刻胶，曝光时间为6s，并且需先后两次进行曝光处理，对于rzj304光刻胶，曝光时间为2s；
[0074]
4.4中所述显影液有az300以及rzx3038两种型号，分为对应az5214以及rzj304两种型号的光刻胶，前者需显影40s，后者需显影50s。
[0075]
五、硝化处理
[0076]
5.1.取洁净的玻璃培养皿并倒入100ml的硝酸溶液，并一起置于加热板上；
[0077]
5.2.提供一个制备的石墨烯传感器件；
[0078]
5.3.将上述器件置于玻璃培养皿中进行硝化处理，随后用氮气除去器件表面残留硝酸溶液，硝化石墨烯氨气传感器制备完成；
[0079]
进一步地，在5.1中所述硝酸浓度为20％
‑
68％，加热板温度设置为60℃
‑
65℃，并用温度计实时测量溶液温度，处理时间为30s
‑
120s；
[0080]
硝酸作为常见的化学试剂，经过硝酸的处理，石墨烯表面引入了大量的活性位点，极大提高了传感器的性能，经过硝化后的灵敏度与未硝化前的灵敏度对比数据详见图3。
[0081]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权
利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：

1.一种基于硝化石墨烯的氨气传感器，其特征在于，包括基底、金属层和石墨烯层，所述金属层沉积在所述基底上，所述石墨烯层为图形转移层，并位于所述金属层的上表面。2.采用如权利要求1所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：提供基底；在所述基底上沉积金属层，并形成图案化金属结构；将石墨烯转移至所述图形化金属结构表面；图案化所述石墨烯；硝化处理后获得成品。3.如权利要求2所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述基底的材料为氧化硅片、石英片、陶瓷片或玻璃片，所述氧化硅片的氧化层厚度为100nm。4.如权利要求3所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在所述基底上沉积金属层，并形成图案化金属结构的过程中，采用光刻技术和磁控溅射，在所述基底上沉积一层金属，沉积的金属种类为ti、pt、w、al或au。5.如权利要求4所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在将石墨烯转移至所述图形化金属结构表面的过程中，所述石墨烯通过化学气相沉积法生长获得，所述石墨烯层可为单层、双层或少层，少层的数值为3～10层，石墨烯通过湿法刻蚀转移至所述图形化金属结构表面。6.如权利要求5所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀包括下列步骤：配置1mol/l
‑
2mol/l的过硫酸铵溶液；取化学气相沉积法生长的石墨烯，在所述石墨烯表面旋涂一层pmma，得到pmma/石墨烯/铜箔结构；将所述pmma/石墨烯/铜箔结构置于所述过硫酸铵溶液中，去除铜箔，得到pmma/石墨烯结构；将所述pmma/石墨烯结构经去离子水漂洗后，用载玻片转移至目标基底，得到pmma/石墨烯/基底结构；将所述pmma/石墨烯/基底结构放置于真空干燥柜中，促使石墨烯与所述基底紧密贴合，随后用丙酮溶液去除pmma，得到石墨烯/基底结构，石墨烯转移完成。7.如权利要求6所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在图案化所述石墨烯的过程中，选取所述石墨烯/基底结构，采用光刻技术在所需位置覆盖一层光刻胶，最后去除多余部分石墨烯，实现图案化石墨烯。8.如权利要求7所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在硝化处理后获得成品的过程中，使用的硝酸浓度为20％
‑
68％，在60℃
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65℃下处理30s
‑
120s。

技术总结

本发明公开了一种基于硝化石墨烯的氨气传感器及其制备方法，通过在所述基底沉积金属结构，再采用湿法刻蚀技术将石墨烯转移至金属结构表面，接着利用光刻技术以及等离子去胶机设备去除多余部分石墨烯，实现图案化石墨烯，将形成的石墨烯器件置于硝酸溶液中，控制硝酸浓度、处理温度及时间等制备参数，获得所述的基于硝化石墨烯的氨气传感器，制备的传感器结构简单，成本低廉，同时具有灵敏度高、响应速度快、重复性好、常温下工作、测量浓度下限低等特点，解决了现有技术中石墨烯氨气传感器存在的技术问题。技术问题。技术问题。