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本文采用改进Hummers法制备氧化石墨,经超声剥离得到氧化石墨烯(GO);采用旋涂法并通过控制GO水相分散液浓度制备不同厚度GO薄膜;采用热还原法制备不同还原程度的还原氧化石墨烯(r GO)薄膜;采用一步水热复合法制备得到石墨烯-聚苯胺(r GO-PANI)复合材料。利用XRD、FT-IR、Raman、AFM、SEM、TG-DTA和气敏测试系统等对GO、r GO和r GO-PANI的结构、形貌及气敏性能进行表征分析,重点探究GO薄膜厚度、热还原程度及石墨烯与聚苯胺复合质量比对气敏性能的影响,并进一步揭示石墨烯及其复合材料的气敏响应机理。研究结果表明,GO在成膜过程中工艺条件对元件的气敏性能有很大影响。采用旋涂法,随GO水相分散液浓度由1 mg/m L增加到5mg/m L,薄膜的厚度依次为18、35、65、102和139 nm。随着薄膜厚度增大,元件的灵敏度增大,电阻变化的线性关系变差,而响应-恢复时间延长。当薄膜厚度为18 nm时湿敏元件的响应时间2 s,恢复时间8 s,灵敏度可达72.59%。随着还原温度的升高,GO样品含氧官能团逐渐热解消失,所形成的结构向较为有序的类石墨结构转变;无序程度(ID/IG值)先由0.85增大至1.59后再减小至1.41,总体呈现增加趋势;当还原温度≤150℃样品仍表现GO的性质,当还原温度≥250℃时则表现出r GO的性质;还原温度为150、200和350℃时样品分别表现出p型、双极型和n型半导体性质。在室温下,GO及低还原程度的r GO气敏元件对H2表现出较高的响应和灵敏度,灵敏度88.56%,响应时间30 s。r GO-PANI复合材料比单纯的r GO、PANI的气敏性能更加优异,在400 ppm浓度的NH3环境下,r GO、PANI和r GO-PANI-1的灵敏度依次为13.92、41.49和50.26%。响应时间依次为422、296和156 s,恢复时间依次为485、304和214 s;随着复合材料中PANI质量的增加,灵敏度呈现减小趋势,在400 ppm浓度的NH3环境下,复合材料中r GO与PANI的质量比为1:1、1:2和1:3时的灵敏度依次为50.26、44.72和38.90%。目前,常见的石墨烯气体传感器结构有电阻型、场效应晶体管型(FET)、声表面型(SAW)和石英晶体微天平型(QCM),尤其是FET型气体传感器因具备独特的优势而迅速发展。本文对FET型结构设计初步探索,优化设计参数,可为下一步研制集成、小型和智能化的高性能气体传感器提供理论依据和技术指导。