石墨烯基传感器件

传感技术是研究传感器的材料、结构、性能和应用的综合性技术，是涉及物理、数学、材料、化学等多学科的前沿技术。在信息化革命的浪潮中，特别是物联网技术蓬勃发展的当下，传感技术作为信息技术中的关键组成部分，越来越被产业界、科技界以及国防工业界所重视。传感技术在信息技术中的地位至关重要，如果不依靠传感技术对被测物体进行精确可靠的测量，即便信息处理和传输技术再高超也没有任何意义。传感器往往被比喻成人的感官，例如光传感器之于视觉、气体传感器之于嗅觉、化学传感器之于味觉、压力应变传感器之于触觉和声传感器之于听觉等。随着传感技术的不断发展，现在的传感器已经可以用于各种人类无法适应的严苛环境，其测量精度、测量范围等也都远远超过人体感官本身。因此，传感器能够提供丰富的人体感官无法获得的信息，可以被认为是人体感官的延伸。作为一项高度学科交叉与融合的技术，传感技术的发展往往因为材料、物理、化学、生物、信息等各个学科的发展而发生革命性的变化。近十年来，新兴材料石墨烯由于其较高的杨氏模量、较大的比表面积（2630m2·g-1）、较高的热导率以及室温下较大的电子迁移率等优点，在国内外的传感器研究领域掀起了一股热潮，并取得了诸如单分子检测等一系列具有颠覆性技术的成果，带动传感器制造领域以及相关应用领域的快速发展。在石墨烯基传感器的研究领域中，我国与国外先进水平差距不大，甚至有些方面还走在国际前列。但是，目前这一领域的发展依然面临下列几个问题：（1）用于传感器研究的石墨烯材料的稳定性和可控性有待进一步提高；（2）传感机理的研究有待进一步深入；（3）制造工艺的标准化程度有待进一步完善。为了适时地总结近年来石墨烯基传感器的发展经验和教训，给广大石墨烯基传感器领域的相关从业人员提供更多有价值的参考信息和可靠依据，我们通过广泛调研国内外的研究成果，结合自身长期在石墨烯基传感器领域中教学、科研、产业化的实际经历，在华东理工大学出版社的支持下，编写了《石墨烯基传感器件》这本书。本书共分９章。第１章主要介绍了石墨烯基传感器件的基本概念、分类、原理、器件的特性，分析了现阶段存在的问题，并对未来发展趋势做了展望。在随后的章节中系统性地介绍了各类石墨烯基传感器，包括化学量传感器（第２～４章）、物理量传感器（第５～８章）和生物量传感器（第９章）。内容主要包括相关传感器件的制造工艺、特性参数、传感原理以及具体应用等。本书注重系统性、逻辑性、可读性，力求做到深度与广度的平衡，深入浅出地为读者介绍国内外行业发展的新动态、新技术、新概念等，注重理论与实践的结合，体现学术水平和应用价值。东南大学电子科学与工程学院孙立涛教授对本书的编写进行了全面指导，万树博士负责统筹编写工作，毕恒昌、尹奎波、徐涛、黄海舟、朱志鸿、万昊、刘荟、吴楠负责各章节资料的收集、整理、校阅、修改等。十分感谢黄庆安教授、任天令教授、朱宏伟教授等在本书编写过程中给予的支持和帮助。本书的撰稿人员虽然长期处于石墨烯基传感器科研生产的一线，但是科技发展一日千里，书中的纰漏和不足之处在所难免。另外，书中有些理论和观点还有待时间的考验。不妥之处，恳请专家和读者批评指正！希望本书能为广大读者带来帮助，为我国石墨烯基传感器领域的发展尽绵薄之力。孙立涛2019年6月于南京

本书主要介绍石墨烯基传感器件的基本概念、分类、原理、器件的特性，分析了现阶段存在的问题，并对未来的发展趋势作了展望；系统性地介绍了各类石墨烯基传感器的制造工艺、特性参数、传感原理以及具体应用等。本书分为９章，内容包括石墨烯基传感器的基本概述、石墨烯基气体传感器、石墨烯基湿度传感器、石墨烯基离子传感器、石墨烯基光电探测器、石墨烯基力敏传感器、石墨烯基温度传感器、石墨烯基磁传感器、石墨烯基生物传感器。本书可供石墨烯基传感器相关专业的学生、教师、科研人员学习参考，同时可为广大石墨烯基传感器领域的相关从业人员提供参考信息和可靠依据。

本书主要介绍石墨烯基传感器件的基本概念、分类、原理、器件的特性，分析了现阶段存在的问题，并对未来的发展趋势作了展望；系统性地介绍了各类石墨烯基传感器的制造工艺、特性参数、传感原理以及具体应用等。本书分为９章，内容包括石墨烯基传感器的基本概述、石墨烯基气体传感器、石墨烯基湿度传感器、石墨烯基离子传感器、石墨烯基光电探测器、石墨烯基力敏传感器、石墨烯基温度传感器、石墨烯基磁传感器、石墨烯基生物传感器。本书可供石墨烯基传感器相关专业的学生、教师、科研人员学习参考，同时可为广大石墨烯基传感器领域的相关从业人员提供参考信息和可靠依据。

东南大学电子科学与工程学院、微电子学院院长，博导、国家杰青、国家“万人计划”领军人才。《电子器件》杂志主编，Materials Today Nano杂志编委，美国IEEE纳米技术委员会南京分会主席，中国电子显微学会常务理事兼原位电子显微学专业委员会主任，国家军民融合产业技术创新战略联盟特聘专家，中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准化委员会副主任，国家石墨烯产品质量监督检验中心顾问，欧洲科学基金会专家评审委员会委员，欧盟10亿欧元“石墨烯旗舰项目”评审专家。长期从事石墨烯等新型纳米材料的基础前沿与相关应用研究。通过在透射电镜里原位搭建纳米实验室的构想，发展了多种基于原位电子显微学的创新性新技术和新方法，从原子尺度揭示了纳米材料的各种特殊性能与结构之间的相关性。主要成绩包括实现了二维材料的原位原子精度加工与按需构筑；提出了电驱动的阳离子交换新方法，可实现单一纳米异质结构的原位可控构筑；原位观测到表面配位体主导的材料取向连接过程，并提出了与吸附能相关的晶面选择机制；制备了石墨烯基超灵敏柔性传感器等。主要创新性研究成果先后发表SCI论文200余篇（其中Science 2篇, Nature及子刊13篇）。申请专利80余项，做国际会议邀请报告70余次，培养创业人才多名，实现了石墨烯在环保领域应用的产业化。他先后主持及参加国家、省部级研究项目二十余项。目前正从事新型纳米材料与纳米器件的研究工作。

第1章 石墨烯基传感器的基本概述
1.1　传感器和传感技术
　　1.1.1　传感器
　　1.1.2　传感技术
　　1.1.3　传感器和传感技术的意义
1.2　石墨烯以及石墨烯在传感器中的意义
　　1.2.1　石墨烯
　　1.2.2　石墨烯的制备方法
　 1.2.3　石墨烯应用于传感器领域中的优势
1.3　国内外石墨烯基传感器的研究和发展概况
　　1.3.1　国内石墨烯基传感器的发展概况
　　1.3.2　国外石墨烯基传感器的发展概况
1.4　石墨烯基传感器的分类
　　1.4.1　能量传递形式
　　1.4.2　敏感材料类型
　　1.4.3　被检测参数的类型
1.5　石墨烯基传感器的性能参数
　 1.5.1　静态特性
　　1.5.2　动态特性
1.6　石墨烯基传感器的发展趋势
　　1.6.1　敏感材料的发展趋势
　　1.6.2　传感器技术的发展趋势!#&
1.7　本章小结
第2章 石墨烯基气体传感器
2.1　石墨烯基气敏元件及传感器的基本概念
　 2.1.1　气体传感器的定义
　　2.1.2　气体传感器的分类
　　2.1.3　气体传感器的特性参数
　　2.1.4　石墨烯基气体传感器的发展现状
　　2.1.5　石墨烯基气体传感器的发展趋势
2.2　石墨烯基气体传感器的工作原理以及制造工艺
　　2.2.1　电学参量类石墨烯基气体传感器
　　2.2.2　质量敏感型气体传感器
　　2.2.3　光学参量类石墨烯基气体传感器
2.3　本章小结
第3章 石墨烯基湿度传感器
3.1　石墨烯基湿敏元件及传感器的基本概念
　　3.1.1　湿度传感器的定义
3.1.2　湿度传感的意义
3.1.3 湿度以及湿度传感器的特性参数
　　3.1.4　湿度传感器的发展趋势
　　3.1.5　石墨烯基湿度传感器及其分类
3.2　石墨烯基湿度传感器的工作原理以及制造工艺
　　3.2.1　薄膜型电阻式湿度传感器
　　3.2.2　电容型湿度传感器
　　3.2.3　石英晶体微天平湿度传感器
　　3.2.4　其他类型的湿度传感器
3.3　本章小结
第4章 石墨烯基离子传感器
4.1　离子传感器的基本概念
　　4.1.1　离子传感器的定义
　　4.1.2　离子传感器的应用领域
　　4.1.3　石墨烯在离子检测中的应用
4.2　石墨烯基离子传感器的结构和工作原理
　　4.2.1　石墨烯基pH传感器
　　4.2.2　石墨烯基金属离子传感器
4.3　本章小结
第5章 石墨烯基光电探测器
5.1　光电探测的基本概念
　　5.1.1　光谱
　　5.1.2　光生电导效应
　　5.1.3　光电探测的意义
5.2　石墨烯基光电探测器
　　5.2.1　石墨烯基光电探测器的工作原理
　　5.2.2　石墨烯基光电探测器的性能参数
　　5.2.3　石墨烯基光电探测器的分类
5.3　石墨烯基光电传感器的工作原理以及传感特性
　　5.3.1　石墨烯基太赫兹探测器
　　5.3.2　石墨烯基红外探测器
　　5.3.3　石墨烯基可见光探测器
　 5.3.4　石墨烯基紫外探测器
5.4　本章小结
第6章 石墨烯基力敏传感器
6.1　力敏元件和力敏传感器
　　6.1.1　力敏元件的基本概念及分类
　　6.1.2　力敏传感器的特性参数
　　6.1.3　应变式力敏传感器
　　6.1.4　压阻式力敏传感器
　　6.1.5　电容式力敏传感器
6.2　石墨烯基力敏传感器以及石墨烯基力敏传感器的应用
　　6.2.1　石墨烯的力学性能
　　6.2.2　石墨烯应变电阻的模型
　　6.2.3　石墨烯基力敏传感器的类型
　　6.2.4　石墨烯基应变传感器的结构及其制造工艺
　　6.2.5　石墨烯基力敏传感器的应用
6.3　本章小结
第7章 石墨烯基温度传感器
7.1　温度测量的基本概念
7.1.1　温度的定义
7.1.2 温标
　　7.1.3　温度测量的基本原理和基本方法
　　7.1.4　石墨烯基热敏元件与温度传感器
　　7.1.5　石墨烯的热学性质
　　7.1.6　石墨烯基温度传感器的发展趋势
7.2　石墨烯基温度传感器的工作原理以及感温特性
　　7.2.1　石墨烯基热电阻型温度传感器
　　7.2.2　石墨烯基光纤型温度传感器
　　7.2.3　石墨烯基热电偶型温度传感器
　 7.2.4　石墨烯基热辐射测量计
7.3　温度传感器的应用
　　7.3.1　流量（风速）传感器
　　7.3.2　柔性可穿戴温度传感器
7.4　本章小结
第8章 石墨烯基磁传感器
8.1　磁传感器的基本概念
　 8.1.1　磁传感器的定义
　　8.1.2　磁传感器的分类
　　8.1.3　磁传感器的特性参数
　　8.1.4　石墨烯在磁传感器中的应用
8.2　石墨烯基磁传感器
　　8.2.1　石墨烯基磁传感器的传感原理
　　8.2.2　基于霍尔效应的石墨烯基磁传感器
　　8.2.3　基于异常磁阻效应的石墨烯基磁传感器
8.3　本章小结
第9章 石墨烯基生物传感器
9.1　生物传感器的基本概念
　　9.1.1　生物传感器的构成
　　9.1.2　生物传感器的功能
　　9.1.3　生物传感器的技术特点
　　9.1.4　生物传感器的分类
　　9.1.5　生物传感器的发展趋势
　　9.1.6　石墨烯应用在生物传感器领域中的发展概况
9.2　石墨烯基生物传感器的传感原理和结构
　　9.2.1　石墨烯基生物量传感器
　　9.2.2　石墨烯基生理量传感器
　　9.2.3　石墨烯的生物兼容性
9.3　本章小结
参考文献
索引

本书主要介绍石墨烯基传感器件的基本概念、分类、原理、器件的特性，分析了现阶段存在的问题，并对未来的发展趋势作了展望；系统性地介绍了各类石墨烯基传感器的制造工艺、特性参数、传感原理以及具体应用等。本书分为９章，内容包括石墨烯基传感器的基本概述、石墨烯基气体传感器、石墨烯基湿度传感器、石墨烯基离子传感器、石墨烯基光电探测器、石墨烯基力敏传感器、石墨烯基温度传感器、石墨烯基磁传感器、石墨烯基生物传感器。本书可供石墨烯基传感器相关专业的学生、教师、科研人员学习参考，同时可为广大石墨烯基传感器领域的相关从业人员提供参考信息和可靠依据。

东南大学电子科学与工程学院、微电子学院院长，博导、国家杰青、国家“万人计划”领军人才。《电子器件》杂志主编，Materials Today Nano杂志编委，美国IEEE纳米技术委员会南京分会主席，中国电子显微学会常务理事兼原位电子显微学专业委员会主任，国家军民融合产业技术创新战略联盟特聘专家，中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准化委员会副主任，国家石墨烯产品质量监督检验中心顾问，欧洲科学基金会专家评审委员会委员，欧盟10亿欧元“石墨烯旗舰项目”评审专家。长期从事石墨烯等新型纳米材料的基础前沿与相关应用研究。通过在透射电镜里原位搭建纳米实验室的构想，发展了多种基于原位电子显微学的创新性新技术和新方法，从原子尺度揭示了纳米材料的各种特殊性能与结构之间的相关性。主要成绩包括实现了二维材料的原位原子精度加工与按需构筑；提出了电驱动的阳离子交换新方法，可实现单一纳米异质结构的原位可控构筑；原位观测到表面配位体主导的材料取向连接过程，并提出了与吸附能相关的晶面选择机制；制备了石墨烯基超灵敏柔性传感器等。主要创新性研究成果先后发表SCI论文200余篇（其中Science 2篇, Nature及子刊13篇）。申请专利80余项，做国际会议邀请报告70余次，培养创业人才多名，实现了石墨烯在环保领域应用的产业化。他先后主持及参加国家、省部级研究项目二十余项。目前正从事新型纳米材料与纳米器件的研究工作。