基于石墨烯纳米条纹垂直结构器件及其在磁场作用下的气敏特性研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51302179
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0203.碳素材料与超硬材料
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Graphene has been considered as one of the ideal sensing materials due to its excellent properties. However, adhesion and absorption take place usually as the gas molecules get close to the surface of graphene sheets, resulting in the extension of sensing and recovery periods of common graphene gas sensors, which have been widely studied with the current parallel with plane geometry. Hence, the objetive of this project is to fabricate a novel gas sensor based on graphene nano-stripe stacks with current perpendicular to plane geometry under magnetic fields. The graphene, which is prepared by chemical vapor deposition method, can be transferred to the substrate with metal electrode, the stacks can be formed during this repeated process. By the combination of 'lift-off' process and O2 plasma eching technique, the device based on graphene nano-stripe stacks with current perpendicular to plane geometry can be finally fabricated. Since both surfaces of graphene stacks are covered with metal electrodes, and the analyte molecules can only be absorbed on the side boundary of the graphene nanostripe stacks. As the size of the distance between layer and layer get close with the mean free path of gas molecules, gas molecules can interact with the boundary area completely, as a result, excllent sensing properties of the device can be achieved (the response time can reach second level). Meanwhile, the design of nano-stripe structures can be benefit for the increase of exposure area. Furthermore, magetic fields can be applied, in order to partially shift the charge carriers to the boundary, leading to complete interaction of carriers and gas molecules, and consequently, the sensing performance of the device can be further improved (to reach ppt level). Based on the studies mentioned above, the novel gas sensing devices based on the graphene nanostrip stacks with current perpendicular to plane geometry under magnetic fields, with special micro/nano structures and high performance, can be fabricated. The gas sensing properties of the resultant devices with different micro/nano structures under magnetic fields will be studied as well, in order to find the optimum structures of the device and consequently develop the sensing mechanism of the resultant high performance gas sensing device.
石墨烯以其优异性能成为制作气体传感器的理想材料之一,但是,气体分子在石墨烯表面易发生粘滞和吸附,石墨烯平面方向传输的载流子与气体分子作用迟滞而导致目前普遍研究的石墨烯传感器存在响应和恢复变慢的问题。本项目旨在研究基于磁场调制的石墨烯纳米条纹垂直结构器件结构调控的关键问题,通过探索研究化学气相沉积生长石墨烯参数、转移工艺参数及微加工工艺参数,实现具有以下独特设计的器件的可控构建:(1)垂直结构(载流子垂直于石墨烯平面传输),石墨烯上下表面均覆盖有金属电极,被测气体仅与侧壁边界处碳原子充分接触,从而实现器件的秒级快速响应;(2)纳米条纹结构,可大幅提高器件与气体的接触面积;(3)外加磁场调制,使器件中载流子向边界偏移,可实现载流子与气体分子充分作用。研究优化器件传感结构和制作技术,实现超灵敏气体检测(达万亿分之一(ppt)量级),探讨此结构器件的气敏机制,建立超灵敏纳米传感器的知识和技术基础。

结项摘要

石墨烯以其优异性能成为制作气体传感器的理想材料之一,但是,气体分子在石墨烯表面易发生粘滞和吸附,石墨烯平面方向传输的载流子与气体分子作用迟滞而导致目前普遍研究的石墨烯传感器存在响应和恢复变慢的问题。本项目创新性地提出和研究了用于痕量气体检测的还原氧化石墨烯(RGO)三维网络微纳垂直结构气敏传感器。项目针对碳纳米材料气体传感器存在的若干关键的科学技术问题有待更深入地研究:(a)纳米材料三大效应需要加以利用;(b)跨尺度微型化,现有的单一微米加工技术工艺难以满足微型化器件进一步发展的需求;(c)高质量碳纳米材料无法实现宏量制备;(d)存在批量生产和实用化的稳定性难题;(e)新型高性能器件的纳米结构设计和性能研究有待深入,创新性地以天然鳞片状石墨作为原料,以化学氧化剥离法制备得到的氧化石墨烯(GO)作为前驱体,利用GO的自组装特性,来构筑由片层堆砌形成的微纳结构;筛选出合适的有机小分子来实现GO的还原及表面接枝,利用有机分子链段上独特的功能基团来实现RGO对气体分子的高灵敏选择性响应特性;利用Fenton试剂产生的羟基自由基来刻蚀GO片得到多孔GO片,并以此为单元构筑亚微米级别的RGO三维网络微纳垂直结构气体传感器,实现其对气体分子的高灵敏响应;并由高分子模板调控作用形成多孔GO三维网络微纳结构,原位还原去除高分子模板后,得到了RGO三维网络垂直结构气敏元件。利用RGO表面及界面结构效应,来研究揭示RGO与气体分子的相互作用规律,并优化其垂直三维结构,成功实现了RGO三维网络垂直结构对气体分子的快速高灵敏响应,该系列工作为高灵敏气体传感器的研究及开发奠定了丰富的理论基础。外加磁场调制研究结果表明,采用剥离法得到的石墨烯对外加磁场具有很好的增强响应效应,而磁场对还原氧化石墨烯薄膜的调制影响不大。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(7)
专利数量(0)
Reduced graphene oxide/polypyrrole nanotube papers for flexible all-solid-state supercapacitors with excellent rate capability and high energy density
还原氧化石墨烯/聚吡咯纳米管纸用于柔性全固态超级电容器,具有优异的倍率性能和高能量密度
  • DOI:
    10.1016/j.jpowsour.2015.10.035
  • 发表时间:
    2016-01-20
  • 期刊:
    JOURNAL OF POWER SOURCES
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Yang, Chao;Zhang, Liling;Zhang, Yafei
  • 通讯作者:
    Zhang, Yafei
Free-standing functional graphene reinforced carbon films with excellent mechanical properties and superhydrophobic characteristic
具有优异机械性能和超疏水特性的自支撑功能石墨烯增强碳膜
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2015-07
  • 期刊:
    COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING
  • 影响因子:
    8.7
  • 作者:
    Zhang Liling;Hu Nantao;Yang Chao;Wei Hao;Yang Zhi;Wang Ying;Wei Liangming;Zhao Jian;Xu Zhichuan J.;Zhang Yafei
  • 通讯作者:
    Zhang Yafei
Ultrafast and sensitive room temperature NH3 gas sensors based on chemically reduced graphene oxide
基于化学还原氧化石墨烯的超快灵敏室温 NH3 气体传感器
  • DOI:
    10.1088/0957-4484/25/2/025502
  • 发表时间:
    2014-01-17
  • 期刊:
    NANOTECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Hu, Nantao;Yang, Zhi;Zhang, Yafei
  • 通讯作者:
    Zhang, Yafei
Facile assembly of graphene and titania on micro-structured substrates for superhydrophobic surfaces
在超疏水表面的微结构基底上轻松组装石墨烯和二氧化钛
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2015.11.018
  • 发表时间:
    2016-02-01
  • 期刊:
    CERAMICS INTERNATIONAL
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Li, Quan;Wang, Yanyan;Peng, Changsi
  • 通讯作者:
    Peng, Changsi
Ammonia gas sensors based on chemically reduced graphene oxide sheets self-assembled on Au electrodes.
基于金电极上自组装化学还原氧化石墨烯片的氨气传感器
  • DOI:
    10.1186/1556-276x-9-251
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Nanoscale research letters
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang Y;Zhang L;Hu N;Wang Y;Zhang Y;Zhou Z;Liu Y;Shen S;Peng C
  • 通讯作者:
    Peng C

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其他文献

临床感染标本厌氧菌分布特征及脆弱拟杆菌耐药性分析
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其他文献

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王艳艳的其他基金

跨尺度多孔三维还原氧化石墨烯复合物网络微纳结构调控及其气敏传感器研究
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  • 项目类别:
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相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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