柔性湿度传感器的制备与湿敏性能研究

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湿度与人们的生产、生活密切相关,湿度传感器已广泛应用于气象监测、医药制造、农业生产等众多领域。随着信息化、物联网时代的到来,对湿度传感器各方面性能指标的要求也越来越高,并不断推动湿度检测技术的进步与发展。近年来,研究人员不仅局限于提高湿度传感器的响应灵敏度,而且致力于将湿度传感器与柔性电子学相结合,研究柔性湿度传感器。本论文在柔性湿度传感器研究现状的基础上,制备电阻型还原氧化石墨烯(rGO)/二硫化钨(WS2)薄膜柔性湿度传感器以及自供能型天然高分子材料壳聚糖(CTS)/氨基改性石墨烯(GO-NH2)薄膜柔性湿度传感器。基于传感器湿敏测试结果,结合对材料的结构、形貌表征分析,建立相应湿敏机理。具体地,论文的主要研究内容如下:(1)采用气喷法和高温热还原法制备了电阻型rGO薄膜和rGO/WS2分层复合敏感薄膜柔性湿度传感器,通过扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)、拉曼光谱(Raman spectrum)及X射线衍射(XRD)对单一rGO薄膜和rGO/WS2分层复合薄膜进行了表征分析。结果表明,单一rGO薄膜的表面连续且具有明显的褶皱,而rGO/WS2分层复合薄膜的表面不均匀的分布着WS2纳米片层。通过超声剥离法制备的WS2的层间结构为少数层耦合,退火对WS2结构无明显影响,随着退火温度的增加,rGO还原程度增高,并且分层复合薄膜中的WS2纳米颗粒薄膜层和rGO膜层之间存在相互作用。对复合材料进行湿敏性能测试结果表明:复合材料在220°C下进行退火后湿敏响应最优,rGO/WS2分层复合薄膜的湿度响应相较于单一rGO薄膜明显提高,在高相对湿度(RH)下湿敏响应为单一rGO薄膜的2.33倍,且复合薄膜具有良好的重复性和稳定性。最后分析了复合材料的湿敏机理,提出rGO和WS2的接触界面上形成了P-N结,该异质结的形成大幅提升了复合材料对湿度的响应。(2)采用溶液共混法与气喷法在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)柔性衬底电极上制备CTS/GO-NH2复合薄膜,设计摩擦纳米发电机(TENG)的结构并制备自供能型CTS/GO-NH2复合薄膜湿度传感器,通过SEM、傅里叶红外光谱(FTIR)及XRD对CTS/GO-NH2复合薄膜进行表征分析,GO-NH2在CTS薄膜内单一分散,且未与CTS发生化学反应,这种单一分散方式增强了CTS与GO-NH2之间的相互作用力。复合材料湿度动态响应测试结果表明,改变GO-NH2掺杂量会影响复合薄膜湿度特性测试的响应度和线性度。GO-NH2掺杂浓度为0.7mg/ml的CTS/GO-NH2复合薄膜拥有最好的线性度。其响应度相对纯CTS也有一定提升。同时,该浓度掺杂的复合湿敏薄膜湿滞低且重复性好。最后分析了自供能湿度传感器的湿敏响应机理。
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