深圳长石新能源科技有限公司：石墨烯在传感器的应用

深圳长石新能源科技有限公司：基于石墨烯在传感器的应用可分为五大板块

石墨烯在抗菌纺织品中的应用

“石墨烯”又名“单层石墨片”，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二维结构，与石墨的单原子层类似。Geim等利用纳米尺寸的金制“鹰架”，制造出悬挂于其上的单层石墨烯薄膜，发现悬挂的石墨烯薄膜并非“二维扁平结构”，而是具有“微波状的单层结构”，并将石墨烯单层结构的稳定性归结于其在“纳米尺度上的微观扭曲”。

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

石墨烯传感器分类主要分为石墨烯电化学传感器、石墨烯光化学传感器、石墨烯电场传感器、石墨烯磁场传感器、石墨烯机械传感器等。

石墨烯电化学传感器

碳是电化学分析和电催化领域应用最广的材料。例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池和质子交换膜（PEM）燃料电池方面有着良好的性能。基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。因此，在电化学领域，石墨烯就有了大展身手的机会。

石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点：体积小，表面积大；灵敏度高；响应时间快；电子传递快；易于固定蛋白质并保持其活性；减少表面污染的影响。

石墨稀光光化学传感器

基于石墨烯的光电探测器需要通过将吸收到的光子能量转化为电流来测量光子通量。石墨烯可吸收光波频率可以从紫外到太赫兹范围，因此这种探测器拥有比其他基于IV族或III-V族半导体的探测器有更大的探测范围。同时，石墨烯中的载流子迁移率很高，因此它的响应时间也较短。

另一种基于石墨烯的光传感器，有较高的灵敏度，是利用金属电极与石墨烯表面附近的电场，分离光致载流子，效率约为15%~30%，下图为其器件的结构图，这种叉指电极增大了金属与石墨烯的接触范围。该传感器可达到的最大响应为6.1mA/W，比之前的器件高出15倍。该传感器的改进方向：由于单层石墨烯的光吸收率太低，与电即附近活性光电流产生面积过小。可以考虑增加几层石墨烯。

石墨烯的光热电效应：在光能向热能转化时产生热电效应。由于光激发载流子引起的电流，可以从热效应产生的电流中识别出来。双层与单层在表面处的态密度不同。由于能带弯曲与光电激发电子流形成了双层的电场。

反过来说，热生载流子会扩散到高熵区，拥有更大的态密度，从而导致热生载流子会扩散到双层区域。这使得石墨烯在光热电探测器中有很大的应用前景。

石墨烯磁场传感器

石墨烯还具有自旋阀效应。自旋散射长度约1-2μm。因此，石墨烯可用于电子自旋器件尤其是基于电子自旋的磁传感器。石墨烯在狄拉克点附近有一个较大的非局部自旋电流效应，这种效应产生于低磁感应强度和室温下。因此，它可以应用于未来的磁场传感器件中，尤其是它可以在不适用铁磁材料的条件下用于电子自旋器件，从而引入自旋电流。

基于石墨烯的可调谐磁传感器与磁阻器件概念

由自旋阀效应产生的自旋电容：是由合适的绝缘体上的石墨烯纳米带（GNR）连接到铁磁性的源/漏极上。自旋极化电子进入电容的时间演化可以用来测量外部磁场。该器件的测量精度依赖于GNR的磁性缺陷密度与可达的自旋弛豫时间。

石墨烯电场传感器

石墨烯可作为电场传感器的原因在于通过改变电场可以改变石墨烯中载流子浓度。电场感应使用的高空间分辨率探头使用了单电子晶体管（SET）和场效应晶体管（FET），这些器件被用于和AFM结合，共同描绘表面电荷。该类传感器有以下优点：GSET可以在室温下操作，有效扩大了高分辨率扫描技术的可用温度范围。

石墨烯是单层结构，因此可以在任意接近表面的地方测量其电荷源最强地方的场强，具有很好的信噪比与分辨率。

石墨烯机械传感器

质量传感

质量传感的原理在于通过吸附分子对膜或悬臂的共振频率的改变来感应质量的变化。因此通过观测振动态石墨烯的共振频率来制作质量传感器。因为石墨烯表面可以吸附或移除分子。

实验采用经典分子运动理论研究单层石墨烯的质量感应。使用金作为模型吸附原子，发现张应变能使品质因数Q处在合适的位置，从而可以在室温下操作。

质点与原子尘埃对基本频率的影响已被考虑进来，作为研究单层石墨烯阵列在传感器中应用的可能性。结果表明，主频率对10^-6fg的质量变化也能探测到。现已经有些圆筒结构的特征频率响应。这些结构具有线性弹性常数范围3.24-37.4N/m。

应力传感

基于石墨烯的导电电极可以承受巨大的应变，而没有明显的电导率变化，这可能表面石墨烯不是理想的应变传感器。但是理论计算结果表明，石墨烯中非对称应变分布会导致费米能级上带隙打开，而有对称应变分布的石墨烯无带隙。

为打开任意精度的带隙，需要极大地单轴应变。对于平行的C-C键，应变增加12.2%带隙达到最大值0.486eV。而对于垂直的C-C键，当应变增加到7.3%，就已经达到最大值0.170eV。可通过拉曼光谱，或石墨烯中预伪磁量子霍尔效应结合强规范场进行测量。