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近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院范緒閣教授課題組（微納機電傳感器與石墨烯課題組）與中北大學省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室主任張文棟教授等研究人員合作，在硅基石墨烯濕度傳感器的研究中取得了重要進展。相關(guān)研究成果以“Humidity Sensing Properties of Different Atomic Layers of Graphene on the SiO2/Si Substrate”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF：8.3）上。該論文第一作者為北京理工大學碩士研究生高強，通訊作者為北京理工大學范緒閣教授、中國人民解放軍軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院王曉晶助理研究員及中北大學張文棟教授。

課題組報道了硅基（SiO2/Si）不同原子層數(shù)的石墨烯的濕度傳感器（圖1），研究了不同原子層數(shù)（1-3個原子層）的石墨烯、不同敏感面積的石墨烯對制備的濕度傳感器響應(yīng)度、響應(yīng)時間/恢復(fù)時間的影響。如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)所制備的石墨烯濕度傳感器的相對電阻變化隨著石墨烯原子層數(shù)的增加而降低；基于三個原子層的石墨烯的濕度傳感器呈現(xiàn)出最快的響應(yīng)時間與恢復(fù)時間；基于雙原子層的石墨烯的濕度傳感器呈現(xiàn)出最慢的響應(yīng)與恢復(fù)時間。總體比較，基于雙原子層的石墨烯的濕度傳感器在響應(yīng)度與穩(wěn)定性方面呈現(xiàn)出相對較好的性能，因此，所制備的基于雙層石墨烯的濕度傳感器被應(yīng)用于呼吸檢測與無接觸的手指檢測（圖3）。這些研究結(jié)果有利于深入理解硅基石墨烯濕度傳感特性，將促進石墨烯在濕度傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 硅基不用原子層數(shù)的石墨烯濕度傳感器的制備流程示意圖及SEM圖

圖2 硅基不同原子層數(shù)的石墨烯濕度傳感器特性比較

圖3 所制備的石墨烯濕度傳感器在呼吸檢測與手指無接觸檢測方面的應(yīng)用驗證

論文詳情：Qiang Gao, Hongliang Ma, Chang He,Xiaojing Wang, Jie Ding, Wendong Zhang, Xuge Fan, Humidity Sensing Properties of Different Atomic Layers of Graphene on the SiO2/Si Substrate, ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16, 41, 55955–55963. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.4c11194 

論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c11194 

本研究受到北京市自然科學基金、國家自然科學基金、XXX技術(shù)領(lǐng)域基金、國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金（海外）、北京理工大學特立青年學者人才支持計劃啟動項目、北京理工大學科技創(chuàng)新計劃等項目的資助。

在基于石墨烯及其衍生物的濕度傳感器研究方面，范緒閣教授與其合作者先前已經(jīng)做出了系列研究工作，例如基于原子層厚度的石墨烯的硅基濕度/氣體傳感器，基于石墨烯衍生物與MoS2復(fù)合納米薄膜的柔性濕度傳感器、基于石墨烯的濕度傳感器的最新研究進展綜述等。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表在RSC Advances, 7, 22329-22339, 2017；Carbon, 127, 576-587, 2018；ACS Applied Materials& Interfaces, 10 (48), 41738-41746, 2018；Nanoscale, 2024, 16, 17804-17816；IEEE Sensors Journal, 24, 13, 20289 – 20311, 2024; 具體發(fā)表鏈接如下：

https://doi.org/10.1039/C7RA02821K

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.11.038

https://doi.org/10.1021/acsami.8b10033

https://doi.org/10.1039/D4NR02207F

https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3398003

附作者簡介：

高強，第一作者，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀碩士研究生。

馬鴻梁，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。

何昶，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。

王曉晶，共同通訊作者，中國人民解放軍軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院王曉晶助理研究員，研究方向為微納加工與傳感、應(yīng)用于極端環(huán)境的敏感材料。

丁潔，北京理工大學集成電路與電子學院副教授，研究方向為新型半導(dǎo)體器件的建模與仿真、傳感器器件的建模仿真與機理。

張文棟，共同通訊作者，中北大學儀器與電子學院教授，國家杰出青年基金獲得者，中北大學省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室主任，獲得國家科學技術(shù)發(fā)明二等獎3項（排名第一2項，第二1項）、國家科學技術(shù)進步二等獎1項，何梁何利基金“科學技術(shù)創(chuàng)新獎”，研究方向為動態(tài)測試技術(shù)與智能儀器、微型機電系統(tǒng)（MEMS）等。

范緒閣，共同通訊作者，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，研究方向為MEMS、NEMS、微納傳感器、石墨烯等敏感薄膜。