基于石墨烯的气体传感器
因为它们的原子厚度的二维共轭结构，高导电性和大的比表面积的石墨材料已广泛探索了气体传感器的制造。这篇专题文章总结了对用于此目的石墨烯材料的合成的最近的进展，并应用于制造气体传感器的技术。该组合物中，结构上的缺陷以及基于石墨烯的传感层和气体传感器的性能检测设备的配置形态的影响也将进行讨论。 1引言
气体传感器，可用于检测可燃，易燃和有毒气体的设备，和/或氧的消耗.这种类型的装置也被广泛用于工业或灭火。各种材料如光学flbers，无机半导体，共轭聚合物和碳纳米材料已探索到制造气体传感器中.在这其中，基于石墨烯的气体传感器最近引起了强烈的关注，主要是由于原子厚度的二维结构和石墨烯层.石墨烯的优异性能是一种独特而有吸引力的传感材料做为气体传感器。首先，石墨烯具有大的理论比表面积（2630 M2G≤1）。单层石墨烯片的所有原子可以被认为是表面原子和它们能吸附气体的分子，提供每单位体积的最大感测区域。其次，石墨烯片之间的相互作用和吸附可能因微弱的范德华力，以强大的共价键。所有这些相互作用的扰动将石墨烯的电子系统，该系统可以容易地MONI-tored通过方便的电子方法。第三，石墨烯的电荷载流子有静止质量为零靠近其狄拉克点和石墨烯在室温下表现出显着的高载流子迁移率（200000 cm2V？1秒≤1）与α1012厘米？2载流子密度，对应于10的电阻率？6U.2Actu盟友，石墨烯比银导电并具有在室温下的物质中是最低的电阻率 迄今已知的.
另外，石墨烯具有固有的低的电噪声，由于其高品质的晶格连同其二维结构，使得它能够屏蔽比一维对应更多的电荷波动。其结果是，少量的额外的电子可引起石墨的电导率有明显的变化。的确，一个非常小的变化所引起的气体吸附的石墨烯片的电阻甚至下降到了分子水平是可检测的。而且，石墨烯片，也可用于制造四点式设备，以有效地消除接触电阻的影响。四，化学转化的石墨烯（CCG）的材料（如还原的石墨烯氧化物或RGO），可以在大规模的成本相对较低合成。
此外，RGO片都能够被处理或组装成超薄感测层通过各种例如铸造，喷墨打印，朗缪尔 - 布洛杰特法和层- 层沉积湿法技术，从而简化了制造气体传感器的过程。RGO也可以通过与其它感测组件共混或用官能团化学键接枝到调节其电子结构和相互作用与气态分析官能化。实际上，石墨烯材料已广泛用于检测有毒和爆炸性气体。
在这篇专题文章基础上我们将系统地从几个方面，包括传感机制，气体传感器的制造，检测性能和未来前景的石墨烯材料，讨论气体传感器。
元文京 在吉林大学化学系在2011年获得了理学士学位，获硕士学位，
她目前在清华大学化学系石高全的研究小组任研究员，pH值D.候选人。她的研究兴趣主要集中在石墨烯为基础的传感器上。
石高全在南京大学（中国）学位获得了pH值D理学士学位于1985年。
1992年，他加入了南京大学化学系，在1995年并晋升为教授，2000年，他搬到了清华在化学系教授。他的研究兴趣是导电聚合物和石墨烯
材料。他于2004年获得第二等级奖中国的自然科学和中国化学会和巴斯夫公司青年知识创新奖。
2 基于石墨烯传感器的机理
通过石墨烯材料气体的检测主要是基于在感测物质的吸附其电导变化。气态吸附物具有不同的组成和结构与石墨烯在不同的模式进行交互。惰性闭孔吸附像水不诱导石墨烯检测局部畸变状态，它们影响石墨烯的电导通过摇匀石墨烯片内或片石墨烯及其基板之间的电子。另一方面，开放细胞吸附物例如NO 2，碱金属和卤素有化学活性的;他们可以充当这有助于电子或空穴对石墨和改变其电子浓度为临时掺杂剂。这些分子结合石墨烯的离子，但与石墨烯条带杂交弱。另一种吸附物是共价键吸附，包括H和OH自由基，它可以形成共价键与石墨烯。石墨烯本质上是一个p-型半导体。当它被暴露于各种气体，其电导的响应方向可能是不同的。吸电子基的气体分子例如NO 2的吸附增强了石墨烯的掺杂水平，并增加其电导。另一方面，给电子性分子如NH3解原液的石墨烯，并降低其电导率。
各种石墨烯复合材料也被应用于作为传感材料，以提高基于石墨烯的气体传感器的性能。其中，石墨烯/聚合物复合材料通常具有多孔微结构，以加速在传感层中的气体扩散。在这种情况下，复合体的两种组分可以吸附气体分子，促进了传感层的电导变化。贵金属如Pt和Pd的纳米颗粒已被固定在石墨烯片以催化气体的反应，为了提高感测信号。吸附石墨烯及其复合材料的表面上的氧或水分子也可以与传感分子相互作用，并向传感响应了贡献。特别是，对于石墨/金属氧化物复合材料，氧的吸附，有时是用于实现检测反应是至关重要的。所吸收的氧分子被捕获从金属氧化物的电子可能转化为离子物质。引入检测的气体种类后，在金属氧化物的表面上的电子浓度改变，因为气体和被吸附的氧离子之间的相互作用，并导致传感层的电导变化。
3 石墨烯为基础的传感器的配置
化学电阻是气体传感器的使用最广泛的配置。在这种情况下，气态分析物通过测量诱导的吸附气体分子传感层的电阻变化进行检测。这种类型的传感器的优点是其简单的制作和直接测量。图一示出了四点电阻的叉指式气体传感器的结构。甲微小尺寸的加热板被引入装置来控制感测的温度。该传感器可以用于检测NO 2，NH 3，二硝基甲苯（DNT），传感器的
性能强烈地依赖于温度。图一
场效应晶体管（FET）也被应用于用于感测气体。在这种情况下，FET的漏极电流依赖于栅极偏置，并且它可以通过暴露于目标气体被有效地改变。 FET传感器的性能强烈地依赖于器件的开/关电流比率。较高的开/关比，通常可以向更高的灵敏度。几种方法已经被用来创建能隙在石墨烯片来实现开/关比的场效应晶体管器件，包括常规纳米光刻图案化，合成石墨烯纳米带和分离从散装石墨微小的石墨烯片高。在石墨烯片的电荷载体是因为其独特的原子厚的二维结构的双极性，并且电荷密度可以通过电视场中的应用被连续调节。这些特性使得石墨烯利于场效应晶体管的制造。图1b示出了一个基于石墨烯的FET传感器的结构，并已经申请了NO 2的检测。在此传感器中，RGO血小板的悬浮网络担当了导电沟道由桥接源极和漏极电极。当NO 2分子被吸附到石墨烯片的表面上，局部载流子浓度增加，该信号可以由一个晶体管之类的设备进行监控。电子或空穴可以作为在石墨烯场效应晶体管的主要电荷载体取决于栅极电位（VG）的值。在高正卵黄蛋白原在正模式下运行的石墨烯FET表现出卓越的性能为氨的检测与在P-模式相比。这主要是由于这样积极V glowers石墨烯的功函数，减小石墨烯和NH 3，并降低NH 3脱附的屏障之间的电子转移阻挡的事实。
图二
微/纳米器件比传统设备的各种优点。与纳米结构单元的大面积图案的功能微结构是一种很有前途的技术，为大规模生产微/纳米器件。 O'Neill等人。展示了一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基础的压印法来图案RGO薄膜，它适合于RGO电子的可伸缩的制造。它们制造的氨传感器的基础RGO薄膜晶体管通过基于PDMS的印迹方法后跟一个简单的掩模屏蔽处理（图1c）的阵列上。在暴露于1000ppm的NH 3传感器表现出约10％的电导下降。
表面功函数（SWF）变化的晶体管也被用来作为气体传感器。的SWF传感器的示意图示于图1D。甲石墨烯层具有p型性质;因此，目标分子的吸附可以改变其表面的偶极矩和电子亲和势，导致增加了石墨烯的表面的功函数。在基于SWF的气体传感器能在10秒内获得快速感测响应。这种现象可以归因于一个事实，即响应主要归因于改变传感层，独立的分子扩散到本体的表面的电子特性。
基于石墨烯的气体传感器
