石墨烯湿敏性能研究进展

湿度传感器与大气监测、工业生产和生物医疗等领域息息相关.随着科技的不断发展,人们对高性能湿度传感器的需求不断增加,这为湿度传感器行业的发展带来了前所未有的机遇和挑战,其中高性能湿敏材料的开发尤为关键.在诸多湿度传感器中,金属氧化物或金属氧化物/聚合物复合材料湿度传感器因其敏感元件选择的多样性、易于后加工处理和响应特性高等特点而受到广泛关注.与聚合物湿度传感器相比,陶瓷材料的合成过程更简便,响应也通常更为迅速,且聚合物的成本更低.近些年,新型纳米材料被广泛应用于湿度传感器领域,逐渐成为湿敏材料的主要发展方向及研究热点.零维和一维纳米碳质材料,如富勒烯、碳纳米管作为湿敏活性层制备的传感器通常具有大比表面积、可室温下工作、易于实现微型化、稳定性好等诸多优点,但它们的零维或一维结构与现有的平面电子器件加工工艺不相匹配.石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列构成的二维蜂巢晶格结构的单层石墨,其独特的二维结构适用于现有的平面电子器件加工工艺.石墨烯材料作为湿敏活性层受到研究者们的广泛关注是因为它具备诸多优异特性:(1)石墨烯的所有原子都在表面,具有超大的比表面积,原则上,石墨烯传感器的动态检测范围可以从单个分子到很高的浓度水平;(2)利用石墨烯的电学特性和力学特性可以很好地进行传感信号的转换;(3)金属、聚合物或其他修饰剂功能化的石墨烯能与特定分子发生相互作用,大大增强传感器的选择性;(4)石墨烯单晶可以制作四探针装置,从而能够避免接触电阻的影响,并大大提高灵敏度;(5)与其他纳米碳材料如碳纳米管相比,石墨烯和氧化石墨烯制备成本更低.本文综述了石墨烯湿敏性能及其应用的研究进展,着重讨论了本征石墨烯、氧化石墨烯和改性石墨烯的湿敏特性.文章最后分析了石墨烯基湿度传感器未来的发展方向和面临的挑战.