【正文】 相信隨著納米科技的發(fā)展，自供電傳感器件作為一種優(yōu)秀的納米功能器件，具有非常廣闊的前景。展望本課題對化學分子驅(qū)動自供電傳感器件性能進行了初步研究，證實二維超薄材料納米傳感器件在極性分子作用下能夠產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的電能，為解決微納電子器件的微電源的維護和替換難題提供了新的思路。我們選擇了生長質(zhì)量良好的超薄二維半導(dǎo)體納米片，經(jīng)過一系列的工藝，制備了化學分子驅(qū)動的超薄二維半導(dǎo)體納米材料自供電傳感器件，測試了其基本電學性能。此外，通過正負極（源極漏極）倒轉(zhuǎn)連接等方式，重復(fù)測試了大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的電流以及電壓隨時間變化規(guī)律，獲得了預(yù)期的形狀相似但方向相反的電流電壓信號，如圖8（d）所示為氧化石墨烯器件正負極（源極漏極）倒轉(zhuǎn)后滴加二氯甲烷的電流電壓隨時間的變化曲線，結(jié)合直接采用二氧化硅介質(zhì)層作為功能單元制作的器件測試結(jié)果，證明了在滴加極性有機液體后產(chǎn)生的電流電壓信號非偶然發(fā)生，而是由于化學有機溶液分子驅(qū)動作用下，石墨烯以及二維超薄納米材料等功能層產(chǎn)生的必然規(guī)律性信號。測試了暴露面積以及遮蓋不同位置下，大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的電流以及電壓隨時間變化規(guī)律，獲得了最優(yōu)化的聚合物遮蓋層材料種類以及遮蓋位置和暴露面積等器件關(guān)鍵設(shè)計?；瘜W分子吸附在二維超薄半導(dǎo)體納米片表面時，器件產(chǎn)生電信號，伴隨載流子的轉(zhuǎn)移，二維超薄半導(dǎo)體納米片密封端和暴露端的費米能級達到平衡，電信號消失；要使器件持續(xù)工作，必須使化學分子處于不斷吸附脫附的動態(tài)循環(huán)中。（a）（b）圖7氧化石墨烯自供電傳感器件的電學性能；（a）伏安特性曲線；（b）背底柵極電壓對其伏安特性曲線的調(diào)控作用 化學分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換器件性能測試在獲得化學分子驅(qū)動自供電傳感器件基本電學性能的基礎(chǔ)之上，測試了不同化學有機溶液作用下，大面積石墨烯和二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的輸出電學性能。基于此，我們首先測試了大面積石 8大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目結(jié)題報告墨烯基化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的基本電學性能：包括石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的漏電流行為，以此評價器件封裝完好性以及相關(guān)介質(zhì)層的絕緣性能等；在此基礎(chǔ)之上，通過測試石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的伏安特性曲線，獲得了石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的工作特性以及電極接觸類型等關(guān)鍵器件參數(shù)，如圖7（a）是超薄二維半導(dǎo)體納米材料（石墨烯）的伏安特性曲線；最后，在P型硅/二氧化硅介質(zhì)層襯底的作用，通過調(diào)控背底柵極電壓，測試了石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，測試了器件的半導(dǎo)體類型和柵極電壓的調(diào)控作用等器件參數(shù)，圖7（b）是柵壓對石墨烯伏安特性曲線的調(diào)控作用。通過設(shè)計掩膜版的位置和大小，鍍制電極，涂覆半遮蓋式聚合物薄膜等步驟，制備了化學分子驅(qū)動自供電傳感器件。經(jīng)外引導(dǎo)線，獲得了以大面積石墨烯為功能單元的聚合物半遮蓋式化學分子驅(qū)動自供電傳感器件。綜合拉曼、透射電鏡、X射線衍射儀、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀等手段表征所制備的石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)；2）用鋁箔做掩膜遮住中間部分石墨烯，用電子束蒸發(fā)法在石墨烯兩端鍍電極，用導(dǎo)線將電極引出以備測試； 3）用鋁箔做掩模，遮擋一半石墨烯，通過低壓氣相沉積法在器件表面旋涂一層派瑞林(Parylene C)覆蓋另一半石墨烯。以化學氣相沉積制備的大面積石墨烯材料和LangmuirBlodget方法制備的大面積氧化石墨烯薄膜為功能單元，制作化學分子驅(qū)動的自供電傳感器件。在實驗研究上，以化學氣相沉積法生長的大片石墨烯和化學剝離的氧化石墨烯（或還原氧化石墨烯）為實驗對象，綜合利用帶環(huán)境氣氛的Kelvin探針顯微鏡（KPFM）、聚焦離子束刻蝕（FIB）等材料領(lǐng)域先進樣品表征、加工手段開展研究；歸納分析化學分子接觸時石墨烯功函數(shù)變化的微觀機制與器件的宏觀行為，為基于功函數(shù)調(diào)控的微納能量轉(zhuǎn)換器件的材料、器件設(shè)計及性能優(yōu)化打下基礎(chǔ)。采用化學氣相沉積方法，制備了具有二維超薄結(jié)構(gòu)的氧化鋅以及二硫化鉬半導(dǎo)體納米材料。利用化學氣相沉積大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目結(jié)題報告方法，獲得了表面連續(xù)的大面積石墨烯材料。化學氣相沉積法是制備石墨烯常用的方法，該方法的優(yōu)點在于易實現(xiàn)石墨烯的大面積合成，常以銅、鎳、鉑等金屬為襯底，通過滲碳冷卻、表面催化等工藝制備得到大面積連續(xù)的石墨烯薄膜?；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(qū)動能量轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復(fù)合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應(yīng)用前景。對導(dǎo)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。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目結(jié)題報告圖4 D8ADVANCE型轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特征，是材料研究的關(guān)鍵。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。設(shè)置程序，測試器件的伏安特性曲線、轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料的電流電壓隨時間的變化曲線。半導(dǎo)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(dǎo)體器件設(shè)計、工藝開發(fā)或生產(chǎn)的復(fù)雜器件的測試。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(shè)備及儀器本實驗所用到的設(shè)備儀器： 半導(dǎo)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。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(diào)節(jié)；其次，石墨烯具有良好的機械性質(zhì)，可以做成柔性器件；再次，石墨烯的電子輸運性質(zhì)和功函數(shù)可在很大范圍內(nèi)調(diào)控，表面改性、應(yīng)力、化學環(huán)境等都可以使石墨烯功函數(shù)發(fā)生變化。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]。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(qū)動能量轉(zhuǎn)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。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(xùn)練計劃項目結(jié)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(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復(fù)合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應(yīng)用前景[2023]。因此，有必要尋找新的替代材料實現(xiàn)類似能量轉(zhuǎn)換功能。理論和實驗結(jié)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(diào)控前期研究工作從實驗上證明了利用半導(dǎo)體功函數(shù)調(diào)控實現(xiàn)能量捕獲的可行性，但是，器件要取得實際應(yīng)用，必須要有高的能量轉(zhuǎn)換效率，且能實現(xiàn)持續(xù)電能轉(zhuǎn)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]。初步的研究結(jié)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?；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。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(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復(fù)合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應(yīng)用前景[15]。器件能將人體連續(xù)的吸氣呼氣轉(zhuǎn)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。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(nèi)部電勢差[10]。北京大學和大連化物所在石墨烯PN結(jié)的調(diào)控調(diào)制摻雜生長與光電轉(zhuǎn)換器件研究中進行了前沿性探索[9]。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(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新方向[7]。上海交通大學利用非硅微加工技術(shù)制備了基于MEMS的壓電發(fā)電機并表征了其俘能效果。最近，他們在單個原子厚度的二硫化鉬內(nèi)觀察到了壓電效應(yīng)，并研制出全球最纖薄的發(fā)電機兼力學感知設(shè)備，其不僅透明輕質(zhì)且可彎曲和拉伸[