利用原位激光辅助制造方案开发一种柔性石墨烯气体传感器制造工艺

柔性/可拉伸气体传感器在智能物联网革命中的关键作用，为工业安全、污染监测和个性化医疗提供了独特的应用机遇。具有3D微孔结构的激光诱导石墨烯（LIG）泡沫可以通过对商用聚酰亚胺膜（Kapton）或其他含碳材料进行激光刻划来简单地制造，以构建柔性/可拉伸的气体传感平台。激光诱导石墨烯的高比表面积、优异的气体渗透性和低成本制造工艺，使气体传感器具有优异的性能参数。

半导体气敏纳米材料的合成大致可分为物理或化学方法。常见的物理方法包括溅射、电子束蒸发、球磨、激光辅助合成和电喷雾等。常见的化学方法有溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀、化学气相沉积和微乳化等。然而，这些方法都有其局限性。

据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚州立大学和中国电子科技大学的研究人员改进了过去的滴铸法（使用移液器将材料逐个滴注到衬底上），利用原位激光辅助制造方案，开发了一种柔性石墨烯气体传感器制造工艺。该研究成果已经以“In situ laser-assisted synthesis and patterning of graphene foam composites as a flexible gas sensing platform”为题，发表于近期的Chemical Engineering Journal期刊。

柔性气体传感器可以用作医疗诊断工具，通过检测呼吸或汗液中的氧气或二氧化碳水平来诊断人体健康状况，它们还可以通过检测气体、生物分子和化学物质来监测室内外环境中的空气质量。

该论文通讯作者、美国宾夕法尼亚州立大学工程学院程寰宇（Huanyu “Larry” Cheng）教授表示：“使用滴铸法，气体传感器的各个气敏纳米材料部分必须单独合成，然后将它们整合，这在后续组织方面很有挑战性，需要很长时间，而且成本高昂。原位法可以一次直接合成气敏纳米材料，而激光加速了这一过程。”

在这个过程中，激光将气敏纳米材料直接刻写到多孔石墨烯泡沫衬底的顶部。衬底材料使气体传感器在应用于皮肤或其它物体时具有弹性和柔韧性。

光线代表激光，将气敏纳米材料刻写在石墨烯泡沫衬底上，用于检测空气和汗液中的气体。

据程寰宇教授介绍，该方法为使用不同的前体或纳米材料提供了可能，并将它们以不同的比例和成分混合。此前，研究人员使用氧化石墨烯和二硫化钼制造气体传感器敏感材料。利用新方法，研究人员测试了另外四类材料，包括过渡金属二硫属化物、金属氧化物、掺杂贵金属的金属氧化物以及复合金属氧化物。

“特定的纳米材料可以帮助我们感知不同的生物标志物或气体，所以尝试并利用不同的材料非常重要。”程寰宇教授说，“例如，一种气敏纳米材料通常只能检测一种目标气体分子。有了更多的材料选择，就有潜力检测更多分子，从而提高传感器的感知能力。”

利用数种纳米材料，研究人员构建了一个由多个并排放置的小型气体传感器组成的阵列。程寰宇教授说，该阵列的感知能力可以比作人类的鼻子。

程寰宇教授说：“鼻子进化到用数百万个嗅觉细胞检测数百万种气味。以同样的方式，每个气体传感器敏感材料都能够检测到不同的化学物质。”

此外，通过新的传感器设计，研究团队不再需要为气体传感器设计单独的热源，进一步降低了器件制造的复杂性。新设计将气敏纳米材料集成在单线多孔石墨烯泡沫上，而旧设计是将纳米材料填充电极之间的间隙。单线多孔石墨烯泡沫中的电阻产生焦耳热以进行自加热。

其研究结果是产生具有多种应用的复杂气体传感器，包括监测并警告用户：工厂气体组分的快速上升，例如工业现场；气体随时间的累积，例如环境污染监测。

未来，研究人员计划通过编程纳米复合材料来靶向特定气体或识别复杂混合物中的多种气体，以提高气体传感器的检测性能。

审核编辑：刘清