【文章內容簡介】 。4）可從環(huán)境中持續(xù)捕獲能量。微電源器件不僅要有能量存儲功能，還要能持續(xù)將環(huán)境中的能量轉換為電能。自然界不缺能源，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結題報告關鍵在于如何將能量有效收集并轉換為電能，這需要不斷開發(fā)新型的自供電傳感器件，將環(huán)境中潛在的光能、生物能、熱能、振動能、電磁能等能量源轉換為電能。微納自供電傳感器件的國內外研發(fā)現(xiàn)狀：[2]。，利用ZnO納米線的壓電效應實現(xiàn)機械能到電能的轉換，并在之后的研究中發(fā)展了壓電電子學的概念[3]。最近，他們在單個原子厚度的二硫化鉬內觀察到了壓電效應，并研制出全球最纖薄的發(fā)電機兼力學感知設備，其不僅透明輕質且可彎曲和拉伸[4]。復旦大學的彭慧勝教授成功制備出可拉伸的線狀超級電容器，為可穿戴智能設備中電能的供應提供了一個解決思路[5]。上海交通大學利用非硅微加工技術制備了基于MEMS的壓電發(fā)電機并表征了其俘能效果。中國科學院蘇州納米所在新型柔性可穿戴仿生觸覺傳感器即人造仿生電子皮膚方面做了系列工作[6]。南京航空航天大學郭萬林教授首次實現(xiàn)石墨烯表面拖動海水液滴發(fā)電, 并揭示了其中的物理機制，為石墨烯在能源領域的應用開辟了新方向[7]。中科院沈陽金屬所設計并制備出基于碳納米管/石墨烯的柔性能量存儲與轉換器件，并發(fā)現(xiàn)其具有循環(huán)穩(wěn)定性好、可快速充放電、可彎折等優(yōu)異性能[8]。北京大學和大連化物所在石墨烯PN結的調控調制摻雜生長與光電轉換器件研究中進行了前沿性探索[9]。在之前的研究工作中，我們團隊提出一種可將環(huán)境中的化學能轉換為電能的新型器件——分子驅動自供電傳感器件，當器件所處環(huán)境中化學分子狀態(tài)發(fā)生變化時可觸發(fā)電信號，從而實現(xiàn)電能的捕獲。當極性化學分子接觸部分覆蓋的ZnO納米線時，ZnO覆蓋端和暴露端由于功函數(shù)不同而產(chǎn)生內部電勢差[10]。利用這一原理可制成自供電的酒精檢測儀，也可檢測不同濃度、不同類別的有機化學試劑[1114]，當人吸氣呼氣循環(huán)作用于器件時，如圖1所示，在無任何外接電源的情況下，器件可產(chǎn)生 28 nA 的脈沖電流信號，交換電極可獲得相反方向的電流信號，這意味著電流信號非測試系統(tǒng)誤差或電阻變化引起的。器件能將人體連續(xù)的吸氣呼氣轉換為電信號，這意味著人呼吸也可以發(fā)電，無疑是令人振奮的。以化學分子驅動器件產(chǎn)生電能是繼光電、熱電、壓電效應之后的一種全新的器件設計理念，包含豐富的物理內涵；基于這種理念構建的器件未來在物聯(lián)網(wǎng)傳感器、2大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結題報告可穿戴器件、生物醫(yī)療器件等領域的自供電檢測/自驅動系統(tǒng)構建等方面有巨大的應用前景。圖1 吸氣呼氣循環(huán)作用于ZnO陣列自供電傳感器件所產(chǎn)生的電信號 超薄二維納米材料，如石墨烯等，因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領域表現(xiàn)出十分誘人的應用前景[15]。石墨烯的費米能級可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調控?；谶@一點，我們提出利用超薄二維納米材料（石墨烯）作為基本功能單元制備新一代的自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。前期的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆蓋，部分暴露，當器件的暴露部分接觸乙醇分子時，可以產(chǎn)生35 nA左右的電信號[1618]。初步的研究結果表明石墨烯作為基本功能單元制備自供電化學傳感器件是可行的。本申請項目提出以石墨烯作為功能單元制備自供電化學傳感器件，有望獲得高轉換效率、超小尺寸、穩(wěn)定的微電源器件，為自供電式微納器件設計及性能優(yōu)化打下基礎。理論和實驗結果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調控前期研究工作從實驗上證明了利用半導體功函數(shù)調控實現(xiàn)能量捕獲的可行性，但是，器件要取得實際應用，必須要有高的能量轉換效率，且能實現(xiàn)持續(xù)電能轉換，這就需要對器件性能影響因素及器件工作機制進行深入研究[19]。除此之外，ZnO材料化學穩(wěn)定性差也是器件實用化的重要瓶頸。因此，有必要尋找新的替代材料實現(xiàn)類似能量轉換功能。在本項目中，我們將在之前研究的基礎上，進一步深化器件工作機制的研究，推進分子驅動自供電傳感器件的實用化。石墨烯作為器件功能單元的可行性與優(yōu)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結題報告勢：近十年來，石墨烯因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領域表現(xiàn)出十分誘人的應用前景[2023]。理論和實驗結果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調控[24]?；谶@一點，在本項目中，我們提出利用石墨烯作為基本功能單元制備新一代的分子驅動能量轉換及自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。在前期的研究中，我們利用石墨烯制備成器件，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆蓋，部分暴露。當工作端接觸乙醇分子時，工作端工作函數(shù)發(fā)生變化，而密封端工作函數(shù)仍保持不變；由于同一種材料費米能級必須處于同一水平，由于載流子的遷移，器件兩端產(chǎn)生接觸電勢差[25]。實驗結果表明，乙醇液滴可使器件可產(chǎn)生35 nA 左右的電信號，這表明石墨烯作為基本功能單元制備分子驅動自供電傳感器件是可行的。以石墨烯制備器件具有以下優(yōu)勢：首先，二維石墨烯具有大的比表面積，對化學分子有更高的敏感性，更容易進行表面電勢的調節(jié)；其次，石墨烯具有良好的機械性質，可以做成柔性器件；再次，石墨烯的電子輸運性質和功函數(shù)可在很大范圍內調控，表面改性、應力、化學環(huán)境等都可以使石墨烯功函數(shù)發(fā)生變化。綜合這些優(yōu)勢和前期研究結果，我們認為，以石墨烯作為功能單元制備分子驅動自供電傳感器件，有望獲得高轉換效率、超小尺寸、柔性、穩(wěn)定的微電源器件，滿足實際需求[2627]。實驗部分 實驗藥品及氣體固體材料：超薄二維納米材料（石墨烯）所用極性有機液體：無水乙醇、異丙醇、丙酮、二氯甲烷、吡啶、二甲基甲酰胺主要測試光照：黑暗、日光燈、紫外燈（365nm） 實驗設備及儀器本實驗所用到的設備儀器： 半導體參數(shù)分析儀是一個模塊化、可定制、高度一體化的參數(shù)分析儀，可同時進行電流電壓(IV)、電容電壓(CV)和超快脈沖 IV 電學測試。使用其可大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結題報告選的 多通道開關模塊，可輕松地在 IV 和 CV 測量之間切換，而無需重新布線或抬起探針。半導體參數(shù)分析儀是最高性能的分析儀，可加快用于材料研究、半導體器件設計、工藝開發(fā)或生產(chǎn)的復雜器件的測試。使用時，先將器件連接在參數(shù)分析儀上，打開電源和電腦上的系統(tǒng)。設置程序，測試器件的伏安特性曲線、轉移特性曲線，探究器件的遷移率、載流子濃度等基本的電學性能和半導體材料的電流電壓隨時間的變化曲線。圖2（a）半導體探針臺和（b）半導體參數(shù)分析儀(XRD)X射線衍射儀(Xray diffraction,XRD)，其工作原理是根據(jù)布拉格方程2dsinθ＝nλ，圖3所示，實驗儀器根據(jù)接收的θ角度變化信息及其強度分布信息可以得到晶體的點陣平面間距和原子排布信息，分析晶體的點陣平面間距和原子排布信息便能獲得材料成分和內部原子(分子)結構等信息。圖3 布拉格衍射示意圖本論文中采用的XRD型號為D8ADVANCE，由德國BrukerAXS公司生產(chǎn)，如圖4所示。衍射實驗使用的測量電壓和電流分別為40kV、30 mA，實驗中的衍射X射線為CuKα射線， nm。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結題報告圖4 D8ADVANCE型轉靶X射線衍射儀(SEM)掃描電子顯微鏡可以方便的得到所制備材料的形貌特征及結構特征，是材料研究的關鍵。在使用過程中，其利用多種信號轉換，得到經(jīng)電子束激發(fā)相應材料表面產(chǎn)生次級電子信號，利用這種電子信號來完成對材料的形貌的表征形成我們所看到的圖像特征。對導電性較差的樣品，為避免觀測樣品表面時，因積累電荷從而影響觀測，通常需要噴涂一層重金屬薄膜。本論文采用美國FEI公司生產(chǎn)的QuantaFEG450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FieldEmission Scanning Electron Microscopy, FESEM)對樣品進行表面形貌和結構的表征，主要測試參數(shù)為：電子槍和樣品的距離10 mm，加速電壓為30 kV，電流為10μA。近十年來，石墨烯因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領域表現(xiàn)出十分誘人的應用前景。理論和實驗結果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調控。基于這一點，在本項目中，我們提出利用石墨烯作為基本功能單元制備新一代的分子驅動能量轉換及自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改