發(fā)布時(shí)間：2023/2/2 15:53:36
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柔性/可拉伸氣體傳感器在智能物聯(lián)網(wǎng)革命中的關(guān)鍵作用，為工業(yè)安全、污染監測和個(gè)性化醫療提供了獨特的應用機遇。具有3D微孔結構的激光誘導石墨烯（LIG）泡沫可以通過(guò)對商用聚酰亞胺膜（Kapton）或其他含碳材料進(jìn)行激光刻劃來(lái)簡(jiǎn)單地制造，以構建柔性/可拉伸的氣體傳感平臺。激光誘導石墨烯的高比表面積、優(yōu)異的氣體滲透性和低成本制造工藝，使氣體傳感器具有優(yōu)異的性能參數。
半導體氣敏納米材料的合成大致可分為物理或化學(xué)方法。常見(jiàn)的物理方法包括濺射、電子束蒸發(fā)、球磨、激光輔助合成和電噴霧等。常見(jiàn)的化學(xué)方法有溶膠-凝膠法、水熱法、共沉淀、化學(xué)氣相沉積和微乳化等。然而，這些方法都有其局限性。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)和中國電子科技大學(xué)的研究人員改進(jìn)了過(guò)去的滴鑄法（使用移液器將材料逐個(gè)滴注到襯底上），利用原位激光輔助制造方案，開(kāi)發(fā)了一種柔性石墨烯氣體傳感器制造工藝。該研究成果已經(jīng)以“In situ laser-assisted synthesis and patterning of graphene foam composites as a flexible gas sensing platform”為題，發(fā)表于近期的Chemical Engineering Journal期刊。
柔性氣體傳感器可以用作醫療診斷工具，通過(guò)檢測呼吸或汗液中的氧氣或二氧化碳水平來(lái)診斷人體健康狀況，它們還可以通過(guò)檢測氣體、生物分子和化學(xué)物質(zhì)來(lái)監測室內外環(huán)境中的空氣質(zhì)量。
該論文通訊作者、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院程寰宇（Huanyu “Larry” Cheng）教授表示：“使用滴鑄法，氣體傳感器的各個(gè)氣敏納米材料部分必須單獨合成，然后將它們整合，這在后續組織方面很有挑戰性，需要很長(cháng)時(shí)間，而且成本高昂。原位法可以一次直接合成氣敏納米材料，而激光加速了這一過(guò)程。”
據程寰宇教授介紹，該方法為使用不同的前體或納米材料提供了可能，并將它們以不同的比例和成分混合。此前，研究人員使用氧化石墨烯和二硫化鉬制造氣體傳感器敏感材料。利用新方法，研究人員測試了另外四類(lèi)材料，包括過(guò)渡金屬二硫屬化物、金屬氧化物、摻雜貴金屬的金屬氧化物以及復合金屬氧化物。
“特定的納米材料可以幫助我們感知不同的生物標志物或氣體，所以嘗試并利用不同的材料非常重要。”程寰宇教授說(shuō)，“例如，一種氣敏納米材料通常只能檢測一種目標氣體分子。有了更多的材料選擇，就有潛力檢測更多分子，從而提高傳感器的感知能力。”
利用數種納米材料，研究人員構建了一個(gè)由多個(gè)并排放置的小型氣體傳感器組成的陣列。程寰宇教授說(shuō)，該陣列的感知能力可以比作人類(lèi)的鼻子。
程寰宇教授說(shuō)：“鼻子進(jìn)化到用數百萬(wàn)個(gè)嗅覺(jué)細胞檢測數百萬(wàn)種氣味。以同樣的方式，每個(gè)氣體傳感器敏感材料都能夠檢測到不同的化學(xué)物質(zhì)。”
此外，通過(guò)新的傳感器設計，研究團隊不再需要為氣體傳感器設計單獨的熱源，進(jìn)一步降低了器件制造的復雜性。新設計將氣敏納米材料集成在單線(xiàn)多孔石墨烯泡沫上，而舊設計是將納米材料填充電極之間的間隙。單線(xiàn)多孔石墨烯泡沫中的電阻產(chǎn)生焦耳熱以進(jìn)行自加熱。
其研究結果是產(chǎn)生具有多種應用的復雜氣體傳感器，包括監測并警告用戶(hù)：工廠(chǎng)氣體組分的快速上升，例如工業(yè)現場(chǎng)；氣體隨時(shí)間的累積，例如環(huán)境污染監測。
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