天津大學(xué)納米中心：研發(fā)基于電子束直寫(xiě)還原氧化石墨烯的快速響應(yīng)溫度傳感器

高精度電阻式溫度傳感器具有穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快和制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在日常生活中發(fā)揮著重要作用。然而，傳統(tǒng)的通道材料（如鉑）由于價(jià)格昂貴和初始電阻較低，嚴(yán)重限制了其發(fā)展。在過(guò)去的幾十年中，還原石墨烯氧化物（rGO）作為一種非常有前景的傳統(tǒng)材料替代品，因其的比表面積和多種可選的表面化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。氧化石墨烯（GO）是一種絕緣體，然而還原后的氧化石墨烯(即還原氧化石墨烯)的片電阻可以降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而將材料轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體，甚至石墨烯類(lèi)半金屬。制備的rGO溫度傳感器表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性，具有較寬的工作溫度范圍以及高靈敏度等特點(diǎn)。

目前通過(guò)還原氧化石墨烯來(lái)制備溫度傳感器的方法有很多，比如熱還原、化學(xué)還原以及激光還原方法等。2018年Sehrawat等人通過(guò)熱還原制備的rGO溫度傳感器在30 ℃ ~ 100 ℃溫度范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)（ TCR ）可達(dá)0.801 %/℃，響應(yīng)時(shí)間為52 s。但是，熱還原法不可避免地需要較高的溫度，這可能會(huì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中集成到傳感器上的其他電子設(shè)備造成損害。Sahoo等人通過(guò)使用化學(xué)還原的方法制備的超快rGO溫度傳感器，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.59 s，恢復(fù)時(shí)間為7.22 s。然而，在化學(xué)還原在還原過(guò)程中需要用到劇毒的還原劑，對(duì)環(huán)境不太友好。與此同時(shí)，最近開(kāi)發(fā)出了激光束還原 GO（LIG）技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)單步圖案化 rGO 生產(chǎn)。雖然這種方法比傳統(tǒng)方法得多，如直接圖案化，無(wú)需額外的光刻后步驟來(lái)制造圖案化的 rGO，只需在環(huán)境條件下操作，以及生產(chǎn)良率高，但其較低的靈敏度（0.142 %/℃）和微米級(jí)的圖案間距阻礙了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。作為一種替代方案，電子束輻照（EBI）誘導(dǎo)的 rGO 有可能將這種技術(shù)升級(jí)為具有更高的器件密度和更好的靈敏度的溫度傳感器。

高能電子與物質(zhì)的相互作用來(lái)電離和激勵(lì)各種物質(zhì)的分子，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，因此，使用高度聚焦的電子束可以實(shí)現(xiàn)在微米甚至納米尺寸上還原GO。通常情況下，某些熱處理或光學(xué)處理無(wú)法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程可以通過(guò)電子束輻照來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為前途的納米級(jí) rGO 制備方法，電子束輻照具有無(wú)毒、無(wú)化學(xué)成分、高效和高可調(diào)性等特點(diǎn)。然而，基于 EBI 的氧化石墨烯還原技術(shù)和機(jī)理的研究才剛剛起步。

在此，我們對(duì)不同電子束劑量和電子束能量下的電子束還原 GO 進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，在 30 ℃ ~ 80 ℃的溫度范圍內(nèi)，TCR 隨電子束劑量的增加而單調(diào)降低，從 1.34 %/℃ 降至 0.59 %/℃。根據(jù)這些結(jié)果，基于 rGO 的溫度傳感器的 TCR 值達(dá)到了 1.18 %/℃，響應(yīng)時(shí)間僅為 0.17 s。與其他方法制備的 rGO 溫度傳感器相比，通過(guò) EBI 技術(shù)制備的 rGO 溫度傳感器的 TCR 變化范圍更廣，響應(yīng)時(shí)間更短。

來(lái)源：傳感器專(zhuān)家網(wǎng)