[发明专利]一种石墨烯气体传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种石墨烯气体传感器的制备方法。

背景技术

1964年，由Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了第一个气敏传感器。1982年，英国Warwick大学的Persaud等提出了利用气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构，自此后气体传感器快速发展，并在国防安全、环境检测、气体泄漏检测、工业生产及医药卫生等领域得到广泛应用。

目前，常用的气体传感器种类多样，主要有半导体传感器(电阻性和非电阻性)、绝缘体传感器(接触燃烧式和电阻式)、电化学式(恒电位电解式、伽伐尼电池式)，还有红外吸收型、石英震荡型、声表面波型、气体色谱法等。然而，这些传统的气体传感器在敏感度和工作性能以及节约成本方面面临着巨大挑战。特别是随着新材料的出现以及微纳米技术的发展，各国的研究学者倾向于将具有特定功能的的独立器件集成在一个微小芯片上，以制备稳定性能好、灵敏度高，成本低并且便于集成的微纳气体传感器。

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地从石墨中分离出石墨烯，开启了石墨烯时代到来的大门。石墨烯是由碳原子构成的二维新材料，碳原子sp2杂化形成了具有蜂窝状的二维晶体结构。这样的精妙结构，赋予石墨烯特殊的电子特性以及优良的电学、力学、热学、光学和机械性能。因此，利用石墨烯独特的二维平面结构及优异的机械性能和电学特性制作石墨烯气体传感器，具有广阔的应用前景。

石墨烯有很大的比表面积，因而对NH₃、NO₂、H₂O、Cl₂和CO等气体吸附性较好。石墨烯又是零带隙半导体，吸附在石墨烯层表面的气体分子会充当石墨烯电子的施主或受主，从而改变石墨烯的导电特性，实现气体传感器的功能。石墨烯作为一种经典的二维材料，其表面完全可以暴露于待测气体中，大大的提高了其测量面积；石墨烯的半导体半金属特性使其具有较高的电导率，并有效的减少约翰逊噪声，而且石墨烯的晶体缺陷较少，可有效的减小石墨烯器件的热噪声。因此，石墨烯的这些优良品质使其探测性质远优于现有的微纳气体传感器。

随着气体传感器的迅速发展，关于石墨烯气体传感器方面的研究时有报道，在有关石墨烯气体传感器制备工艺上，石墨烯薄膜是先被转移到预设衬底上(借助转移技术将事先手撕的石墨烯薄膜或者在其他衬底上生长的石墨烯薄膜转移到预设衬底上)，再在石墨烯薄膜上进行光刻、金属沉积-剥离并腐蚀衬底等多道工艺，如此复杂的工序不仅会对石墨烯造成严重污染，并最终影响该类气体传感器的灵敏性和性能稳定性，而且石墨烯薄膜的连续性也极易遭到破化，易于造成资源浪费。所以，此类传感器在制备工艺、批量生产以及节约资源等方面也面临着巨大挑战。

鉴于此，如何对石墨烯气体传感器的制备方法进行改进，以避免工艺过程对石墨烯薄膜带来的影响，实现石墨烯气体传感器的批量制备，是亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯气体传感器的制备方法，用于解决现有技术中复杂的工序会对石墨烯造成严重污染，影响石墨烯气体传感器的灵敏性、性能稳定性以及连续性，易于造成资源浪费，且无法批量制备的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种石墨烯气体传感器的制备方法，其中，所述石墨烯气体传感器的制备方法至少包括：

提供一衬底；

于所述衬底的上表面形成氧化层；

于所述氧化层的上表面形成覆盖部分氧化层的金属图形结构；

去除未被所述金属图形结构覆盖的另一部分氧化层，以形成暴露部分衬底的开口；

于所述金属图形结构的上表面和侧壁以及所述开口的侧壁和底部形成石墨烯层；其中，所述石墨烯层与被所述开口暴露的部分衬底接触，以实现肖特基势垒。

优选地，于所述衬底的上表面形成氧化层，具体方法为：

采用湿法氧化法或者干法氧化法对所述衬底的上表面进行氧化，以得到所述氧化层。

优选地，所述氧化层的厚度为200-300nm。

优选地，于所述氧化层的上表面形成覆盖部分氧化层的金属图形结构，具体方法为：

于所述氧化层的上表面形成光刻胶，根据预设图形图形化所述光刻胶；

于图形化后的光刻胶的上表面和所述氧化层的上表面形成过渡金属层；

于所述过渡金属层的上表面形成金属电极层；