ZnO/石墨烯薄膜酒精传感器的制备与性能表征

《IEEE Transactions on NanoBioscience》：Fabrication and Characterization of ZnO/Graphene Thin Film Alcohol Sensor

本研究通过溶胶-凝胶法制备了ZnO/石墨烯薄膜酒精传感器，并采用DFT第一性原理计算验证其可行性。通过SEM和UV分析器件质量，测试电导率、传输特性和响应特性，发现传感器对三种不同酒精（威士忌、朗姆酒、白兰地）具有高灵敏度和快速响应，适用于气体检测应用。

　　

摘要：

本文报道了制备了掺有10%石墨烯的ZnO/石墨烯薄膜酒精传感器，并对其进行了实验和理论验证。该传感器采用溶胶-凝胶法制备，并通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算进行了理论分析。使用扫描电子显微镜（SEM）和紫外光谱测量技术对制备出的器件性能进行了研究。为了评估其性能指标，分析了其导电性、传输特性及响应特性。此外，该传感器还分别在不同浓度的酒精（如白兰地、威士忌和朗姆酒）环境下进行了多次测试，测试时间各不相同。

引言

几十年来，全球关注的重点是人类健康、公共安全和环境保护。这推动了对快速、低成本且高精度气体传感系统的需求不断增加。由于各种金属氧化物及其功能化形式的独特性质，它们被广泛用于气体检测[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。其中，氧化锌（ZnO）因其高开/关电流比（I_ON/I_OFF）、透明性、无毒性和低成本而受到广泛关注[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。然而，基于ZnO的薄膜晶体管存在载流子迁移率低、灵敏度有限和选择性不足等缺点。为克服这些限制，研究人员探索了多种碳同素异形体，包括碳纳米管复合材料，这些材料在智能纺织品、可穿戴生物监测、红外检测和高性能光催化领域展现出巨大潜力[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。其中，石墨烯因其独特的电子结构、超大的表面积以及优异的电子、光学和热电性能而脱颖而出[16]、[17]、[18]。将石墨烯掺入ZnO复合材料中可以显著提高载流子迁移率和灵敏度，使其在光致发光、能量存储和气体检测应用中表现出色[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。目前已开发出多种制备ZnO/石墨烯薄膜的方法用于气体检测[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。其中，溶胶-凝胶法是常用的制备工艺：先将复合材料旋涂在基底上，再通过电子束或热蒸发技术沉积电极。此前已有研究探讨了基于ZnO和ZnO/石墨烯复合材料的乙醇气体传感器[7]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。