石墨烯技术前沿丛书--石墨烯传感器及其在物联网中的应用

物联网是将万物与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。传感器是物联网乃至5G和工业互联网应用的神经末梢,通过探测环境信息并感知环境变化实现替代人类全面感知自然的功能。传感材料是传感器的核心组元,采集待测信息后按照一定规律转换为电信号或其他所需形式的信号输出,以实现信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制。在信息化革命的浪潮中,现有先进传感器不仅具有测量的功能,而且还需根据多种输入信息加以选择和判断,因此对传感材料提出了越来越高的要求。
纳米技术为新型传感材料的研发开启了一条全新的途径并注入了新的活力。作为典型的二维单原子层的纳米材料,石墨烯及其衍生物具有优异的电学、热学、光学、力学性能及高比表面积、良好的稳定性和灵活的可修饰性,在电子信息领域极具应用前景。鉴于此,本书著者基于国内外研究人员对石墨烯基材料在传感器领域的研究与应用现状,结合团队多年的研究成果和已毕业博士生的工作撰写本书,期望对从事该领域研究、开发、生产和应用的相关专业人员有所帮助、启迪。
本书涵盖了石墨烯应用于传感器领域的优势、石墨烯传感器的分类、石墨烯传感器的工作特性、石墨烯光电探测器、石墨烯力学传感器、石墨烯化学传感器、石墨烯湿度传感器及石墨烯传感器的未来发展趋势等内容,其中部分数据源于作者的研究成果,同时查阅和参考了大量中外最新文献。
本书共分为7章,撰写分工如下：第1、2章杨婷婷,第3章姜欣、杨婷婷、朱淼,第4、5章姜欣、杨婷婷、朱宏伟,第6章杨婷婷、甄真、朱宏伟,第7章杨婷婷。全书由杨婷婷、朱宏伟统稿。
由于该领域发展日新月异,加之编者水平和能力有限,时间仓促,书中难免有疏漏和不足之处,敬请读者和相关专家予以批评指正。

著者
2020年6月于清华园

朱宏伟，清华大学 材料学院，副院长 教授，1993年考入清华大学，分别于1998年和2003年获学士和博士学位。2003年9月至2008年3月在日本和美国从事博士后研究。2008年4月回清华大学任教至今。现为清华大学材料学院副院长，长聘教授、博士生导师，微纳力学中心研究员。
近年来主要从事以石墨烯为代表的纳米材料多维多尺度可控合成及其在能源/环境/传感领域的应用基础研究。承担国家重点基础研究发展计划（973）、国家自然科学基金、北京市科技计划重大项目（石墨烯传感器）、教育部博士点基金等20余项科研项目。获授权国家发明专利16项、美国专利1项，在《科学》等期刊上发表论文200余篇，出版《石墨烯》、《碳纳米管》著作2部。获国际先*进材料协会“Advanced Materials Science and Technology”奖。“功能石墨烯分离膜在水处理中的应用”项目获中国国际石墨烯创新创业大赛一等奖，“碳纳米管宏观体的研究”项目获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖，“石墨烯结构设计与应用技术研究”项目获高等学校科学研究优*秀成果自然科学二等奖。近年来在石墨烯制备、传感器、水处理膜材料等领域开展了广泛深入的合作研发，部分产品已实现示范应用。

《石墨烯传感器及其在物联网中的应用》涵盖了石墨烯应用于传感器领域的优势、石墨烯传感器的分类、石墨烯传感器的工作特性、石墨烯光电探测器、石墨烯力学传感器、石墨烯化学传感器、石墨烯湿度传感器及石墨烯传感器的未来发展趋势等内容,其中部分数据源于作者的研究成果,同时查阅和参考了大量中外最新文献,内容系统完善,可借鉴性强。
《石墨烯传感器及其在物联网中的应用》可供从事石墨烯研究和传感器研究的科研人员参考。

第1章　绪论/　001
1.1　石墨烯的发现与结构             002
1.2　石墨烯的性能                004
1.2.1 电学性能                005
1.2.2 力学性能                005
1.2.3 光学性能                006
1.2.4 热学性能                006
1.3　石墨烯应用于传感器领域的优势        007
本章小结                     008
参考文献                     009

第2章　石墨烯传感器研究与发展概况/　011
2.1　石墨烯传感器的分类             011
2.2　石墨烯传感器的工作特性           012
2.2.1 静态特性                012
2.2.2 动态特性                014
2.2.3 时间稳定性                016
2.2.4 工作条件的适应性             017
2.3　石墨烯传感器的研究概况           017
2.3.1 石墨烯光电探测器             017
2.3.2 石墨烯力学传感器             018
2.3.3 石墨烯液体传感器                      020
2.3.4 石墨烯气体传感器                      021
2.3.5 石墨烯湿度传感器                      023
2.4　石墨烯传感技术的发展趋势                   024
本章小结                              025
参考文献                              025

第3章　石墨烯光电探测器/　027
3.1　石墨烯光电探测器的研究现状                  027
3.1.1 原理与分类                         028
3.1.2 应用领域                         028
3.1.3 材料选择与设计                       030
3.2　石墨烯/硅异质结型光电探测器                  039
3.2.1 器件模型                         039
3.2.2 能带结构及工作原理                     040
3.2.3 性能检测及评估指标                     042
3.2.4 性能测试系统                        044
3.3　界面氧化层改进石墨烯/硅异质结光电探测器            044
3.3.1 界面氧化层的引入                      045
3.3.2 制备方法                         047
3.3.3 模型分析                         048
3.3.4 光电探测器性能分析                     050
3.4　二氧化钛纳米粒子增强石墨烯/硅异质结紫外探测          060
3.4.1 器件模型                         061
3.4.2 二氧化钛纳米粒子对器件紫外探测性能的影响          064
3.4.3 能带结构及机制分析                     070
3.4.4 二氧化钛层厚度对性能的影响                 071
3.5　还原氧化石墨烯/硅异质结光电探测器               073
3.5.1 制备方法                         073
3.5.2 还原温度对石墨烯薄膜性能的影响               074
3.5.3 还原温度对器件性能的影响                  079
3.5.4 器件在不同工作条件下的性能表现               085
3.5.5 还原氧化石墨烯/硅异质结的结特性               087
3.5.6 还原氧化石墨烯/硅异质结的1/f噪声特性            091
本章小结                              093
参考文献                              094

第4章　石墨烯力学传感器/　101
4.1　石墨烯力学传感器的研究现状                  102
4.1.1 研究背景                         102
4.1.2 原理与分类                         103
4.1.3 材料选择与设计                       106
4.2　石墨烯力学传感性质                      111
4.2.1 完美晶格石墨烯                       111
4.2.2 多晶石墨烯                         113
4.2.3 石墨烯宏观体                        114
4.2.4 性能检测及评估指标                     116
4.3　类鱼鳞结构石墨烯薄膜力学传感器                119
4.3.1 制备方法及器件组装                     120
4.3.2 形貌调控                         121
4.3.3 性能测试                         122
4.4　编织结构石墨烯力学传感器                   124
4.4.1 制备方法及器件组装                     125
4.4.2 性能测试                         125
4.4.3 机制分析                         131
4.5　三维多孔结构石墨烯力学传感器                 142
4.5.1 制备方法                         142
4.5.2 各向异性大孔石墨烯力学传感行为及机理            147
4.5.3 球形大孔石墨烯力学传感行为及机理              150
4.6　石墨烯基电子皮肤                       151
4.6.1 分布式力信号探测                      151
4.6.2 微小变形的探测                       154
4.6.3 大变形的探测                        161
本章小结                              163
参考文献                              163

第5章　石墨烯化学传感器/　171
5.1　石墨烯化学传感器的研究现状                  171
5.1.1 研究背景                         171
5.1.2 原理与分类                         172
5.1.3 研究现状                         172
5.2　石墨烯试纸液体传感器                     173
5.2.1 制备方法                         174
5.2.2 结构表征                         176
5.2.3 液体识别系统                        177
5.2.4 液体识别原理                        181
5.2.5 液体识别中的应用                      185
5.2.6 饮品质量检测中的应用                    191
5.3　还原氧化石墨烯/硅异质结气体传感器               194
5.3.1 器件模型                         194
5.3.2 伏安特性在不同气体中的变化                 195
5.3.3 电流响应在不同气体中的变化                 197
5.3.4 电流响应随气体流量的变化                  199
5.3.5 电流响应随气体浓度的变化                  201
5.3.6 电流响应随时间和偏压的变化                 202
本章小结                              203
参考文献                              203

第6章　石墨烯湿度传感器/　207
6.1　石墨烯湿度传感器的研究现状                  207
6.1.1 研究背景                         207
6.1.2 原理与分类                         208
6.1.3 研究现状                         208
6.2　褶皱石墨烯湿度传感器                     211
6.2.1 褶皱石墨烯的制备与转移                   211
6.2.2 褶皱石墨烯的表面形貌表征                  214
6.2.3 褶皱石墨烯的光谱表征                    215
6.2.4 褶皱石墨烯的电阻、透光率与润湿度表征            217
6.2.5 传感器件的制备及测试方法                  219
6.3　湿度传感的特点与机制                     221
6.3.1 表面均匀微水滴的形成                    221
6.3.2 表面均匀微水滴的快速蒸发                  223
6.3.3 湿度传感机制                        226
6.3.4 湿度传感器的响应幅度                    229
6.3.5 湿度传感器的响应回复速度                  230
6.3.6 湿度传感器的稳定性                     232
6.4　在呼吸监测与动作传感中的应用                 235
6.4.1 可穿戴呼吸监测传感器                    235
6.4.2 基于体表水分蒸发的动作传感器                239
本章小结                              241
参考文献                              242

第7章　石墨烯传感器的未来/　245
7.1　发现新传感机理                        246
7.2　智能化                            246
7.3　仿生化                            247
7.4　柔性化                            249
7.5　网络化                            250
7.6　石墨烯传感器在物联网中的应用                 251
本章小结                              253
参考文献                              253