【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院范緒閣教授課題組(微納機電傳感器與石墨烯課題組)與中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室主任張文棟教授等研究人員合作，在硅基石墨烯濕度傳感器的研究中取得了重要進展。相關研究成果以“Humidity Sensing Properties of Different Atomic Layers of Graphene on the SiO2/Si Substrate”為題發表在國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》(IF：8.3)上。該論文第一作者為北京理工大學碩士研究生高強，通訊作者為北京理工大學范緒閣教授、中國人民解放軍軍事科學院國防科技創新研究院王曉晶助理研究員及中北大學張文棟教授。
課題組報道了硅基(SiO2/Si)不同原子層數的石墨烯的濕度傳感器(圖1)，研究了不同原子層數(1-3個原子層)的石墨烯、不同敏感面積的石墨烯對制備的濕度傳感器響應度、響應時間/恢復時間的影響。如圖2 所示，發現所制備的石墨烯濕度傳感器的相對電阻變化隨著石墨烯原子層數的增加而降低；基于三個原子層的石墨烯的濕度傳感器呈現出最快的響應時間與恢復時間；基于雙原子層的石墨烯的濕度傳感器呈現出最慢的響應與恢復時間。總體比較，基于雙原子層的石墨烯的濕度傳感器在響應度與穩定性方面呈現出相對較好的性能，因此，所制備的基于雙層石墨烯的濕度傳感器被應用于呼吸檢測與無接觸的手指檢測(圖3)。這些研究結果有利于深入理解硅基石墨烯濕度傳感特性，將促進石墨烯在濕度傳感器領域的應用。
圖1 硅基不用原子層數的石墨烯濕度傳感器的制備流程示意圖及SEM圖
圖2 硅基不同原子層數的石墨烯濕度傳感器特性比較
圖3 所制備的石墨烯濕度傳感器在呼吸檢測與手指無接觸檢測方面的應用驗證
本研究受到北京市自然科學基金、國家自然科學基金、XXX技術領域基金、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金優秀青年基金(海外)、北京理工大學特立青年學者人才支持計劃啟動項目、北京理工大學科技創新計劃等項目的資助。
在基于石墨烯及其衍生物的濕度傳感器研究方面，范緒閣教授與其合作者先前已經做出了系列研究工作，例如基于原子層厚度的石墨烯的硅基濕度/氣體傳感器，基于石墨烯衍生物與MoS2復合納米薄膜的柔性濕度傳感器、基于石墨烯的濕度傳感器的最新研究進展綜述等。相關研究成果相繼發表在RSC Advances, 7, 22329-22339, 2017；Carbon, 127, 576-587, 2018；ACS Applied Materials& Interfaces, 10 (48), 41738-41746, 2018；Nanoscale, 2024, 16, 17804-17816；IEEE Sensors Journal, 24, 13, 20289 – 20311, 2024。
附作者簡介：
高強，第一作者，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀碩士研究生。
馬鴻梁，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。
何昶，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。
王曉晶，共同通訊作者，中國人民解放軍軍事科學院國防科技創新研究院王曉晶助理研究員，研究方向為微納加工與傳感、應用于極端環境的敏感材料。
丁潔，北京理工大學集成電路與電子學院副教授，研究方向為新型半導體器件的建模與仿真、傳感器器件的建模仿真與機理。
張文棟，共同通訊作者，中北大學儀器與電子學院教授，國家杰出青年基金獲得者，中北大學省部共建動態測試技術國家重點實驗室主任，獲得國家科學技術發明二等獎3項(排名第一2項，第二1項)、國家科學技術進步二等獎1項，何梁何利基金“科學技術創新獎”，研究方向為動態測試技術與智能儀器、微型機電系統(MEMS)等。
范緒閣，共同通訊作者，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，研究方向為MEMS、NEMS、微納傳感器、石墨烯等敏感薄膜。
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