石墨烯传感器及其在网中的应用

物联网是将万物与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。传感器是物联网乃至5G和工业互联网应用的神经末梢,通过探测环境信息并感知环境变化实现替代人类全面感知自然的功能。传感材料是传感器的核心组元,采集待测信息后按照一定规律转换为电信号或其他所需形式的信号输出,以实现信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制。在信息化革命的浪潮中,现有先进传感器不仅具有测量的功能,而且还需根据多种输入信息加以选择和判断,因此对传感材料提出了越来越高的要求。

纳米技术为新型传感材料的研发开启了一条全新的途径并注入了新的活力。作为典型的二维单原子层的纳米材料,石墨烯及其衍生物具有优异的电学、热学、光学、力学性能及高比表面积、良好的稳定性和灵活的可修饰性,在电子信息领域极具应用前景。鉴于此,本书著者基于国内外研究人员对石墨烯基材料在传感器领域的研究与应用现状,结合团队多年的研究成果和已毕业博士生的工作撰写本书,期望对从事该领域研究、开发、生产和应用的相关专业人员有所帮助、启迪。

本书涵盖了石墨烯应用于传感器领域的优势、石墨烯传感器的分类、石墨烯传感器的工作特性、石墨烯光电探测器、石墨烯力学传感器、石墨烯化学传感器、石墨烯湿度传感器及石墨烯传感器的未来发展趋势等内容,其中部分数据源于作者的研究成果,同时查阅和参考了大量中外文献。

本书共分为7章,撰写分工如下：第1、2章杨婷婷,第3章姜欣、杨婷婷、朱淼,第4、5章姜欣、杨婷婷、朱宏伟,第6章杨婷婷、甄真、朱宏伟,第7章杨婷婷。全书由杨婷婷、朱宏伟统稿。

由于该领域发展日新月异,加之编者水平和能力有限,时间仓促,书中难免有疏漏和不足之处,敬请读者和相关专家予以批评指正。

著者

2020年6月于清华园

《石墨烯传感器及其在物联网中的应用》涵盖了石墨烯应用于传感器领域的优势、石墨烯传感器的分类、石墨烯传感器的工作特性、石墨烯光电探测器、石墨烯力学传感器、石墨烯化学传感器、石墨烯湿度传感器及石墨烯传感器的未来发展趋势等内容,其中部分数据源于作者的研究成果,同时查阅和参考了大量中外*文献,内容系统完善,可借鉴性强。

《石墨烯传感器及其在物联网中的应用》可供从事石墨烯研究和传感器研究的科研人员参考。

朱宏伟，清华大学 材料学院，副院长 教授，1993年考入清华大学，分别于1998年和2003年获学士和博士学位。2003年9月至2008年3月在日本和美国从事博士后研究。2008年4月回清华大学任教至今。现为清华大学材料学院副院长，长聘教授、博士生导师，微纳力学中心研究员。

近年来主要从事以石墨烯为代表的纳米材料多维多尺度可控合成及其在能源/环境/传感领域的应用基础研究。承担国家重点基础研究发展计划（973）、国家自然科学基金、北京市科技计划重大项目（石墨烯传感器）、*博士点基金等20余项科研项目。获授权国家发明专利16项、美国专利1项，在《科学》等期刊上发表论文200余篇，出版《石墨烯》、《碳纳米管》著作2部。获国际先*进材料协会“Advanced Materials Science and Technology”奖。“功能石墨烯分离膜在水处理中的应用”项目获中国国际石墨烯创新创业大赛一等奖，“碳纳米管宏观体的研究”项目获国家自然科学二等奖、*自然科学一等奖，“石墨烯结构设计与应用技术研究”项目获高等学校科学研究优*秀成果自然科学二等奖。近年来在石墨烯制备、传感器、水处理膜材料等领域开展了广泛深入的合作研发，部分产品已实现示范应用。

第1章　绪论/　001

1.1　石墨烯的发现与结构                         002

1.2　石墨烯的性能                               004

1.2.1 电学性能                               005

1.2.2 力学性能                               005

1.2.3 光学性能                               006

1.2.4 热学性能                               006

1.3　石墨烯应用于传感器领域的优势               007

本章小结                                         008

参考文献                                         009

第2章　石墨烯传感器研究与发展概况/　011

2.1　石墨烯传感器的分类                         011

2.2　石墨烯传感器的工作特性                     012

2.2.1 静态特性                               012

2.2.2 动态特性                               014

2.2.3 时间稳定性                               016

2.2.4 工作条件的适应性                         017

2.3　石墨烯传感器的研究概况                     017

2.3.1 石墨烯光电探测器                         017

2.3.2 石墨烯力学传感器                         018

2.3.3 石墨烯液体传感器                                           020

2.3.4 石墨烯气体传感器                                           021

2.3.5 石墨烯湿度传感器                                           023

2.4　石墨烯传感技术的发展趋势                                     024

本章小结                                                           025

参考文献                                                           025

第3章　石墨烯光电探测器/　027

3.1　石墨烯光电探测器的研究现状                                   027

3.1.1 原理与分类                                                 028

3.1.2 应用领域                                                 028

3.1.3 材料选择与设计                                             030

3.2　石墨烯/硅异质结型光电探测器                                   039

3.2.1 器件模型                                                 039

3.2.2 能带结构及工作原理                                         040

3.2.3 性能检测及评估指标                                         042

3.2.4 性能测试系统                                               044

3.3　界面氧化层改进石墨烯/硅异质结光电探测器                       044

3.3.1 界面氧化层的引入