石墨烯材料的制備及其在光學傳感器中的應用.pdf

1、石墨烯是一種單原子的二維層狀晶體，組成石墨烯的碳原子排列方式為六角型蜂巢狀，以sp2雜化軌道相連。其獨特的結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有超凡的光學、電學、熱學等特性，例如其超高的載流子遷移率（室溫下為20萬cm2/Vs，理論值為100萬cm2/Vs以上）、超高的導熱率（3000-5000W/mK）、超高的光透過率（單層石墨烯對于白光的吸收率只有2.3％）等。除此之外，高強度、柔韌性以及非凡的生物分子親和性等特性也使得石墨烯廣泛的應用于傳感器中，特別

2、是光學傳感器。近幾年，石墨烯等二維層狀材料應用于光學傳感器的研究得到了廣泛的關(guān)注，而石墨烯具有表面增強拉曼散射（SERS）效應的發(fā)現(xiàn)，使得石墨烯應用于痕量檢測光學傳感器的研究進入了一個新的領(lǐng)域。由此，基于石墨烯等二維層狀材料的快速無損的、目標分子免標記的光學生物傳感器應運而生。本論文在這些研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合光纖傳感器和SERS技術(shù)對石墨烯展開了一系列的研究。
　　本文用化學氣相沉積（CVD）方法制備了高質(zhì)量、大面積、連續(xù)的單層石墨

3、烯，設(shè)計了石墨烯-光纖倏逝波傳感器和石墨烯-金屬納米顆粒SERS基底。
　?。?）用CVD方法在銅箔上生長高質(zhì)量單層石墨烯，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為石墨烯轉(zhuǎn)移載體，把銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到錐形塑料光纖的錐形纖芯區(qū)域，由于塑料光纖的纖芯材料也是PMMA，因此可以避免 PMMA載體的移除過程，以 LED燈為光源，光纖光譜儀為接收器，設(shè)計了基于倏逝波吸收原理的生物傳感器，選用葡萄糖為測試物質(zhì)，濃度范圍為0-40%，輸出光強與葡萄糖

4、水溶液濃度形成了良好的線性關(guān)系。本方法簡單可行，而且制備的傳感器靈敏度高、性能穩(wěn)定。
　?。?）和塑料光纖相比，石英光纖的傳輸損耗更小。用CVD方法在銅箔上生長高質(zhì)量單層石墨烯，通過干法轉(zhuǎn)移把石墨烯轉(zhuǎn)移到錐形石英光纖的錐形纖芯區(qū)域，選用雙鏈DNA（DS-DNA）為測試物質(zhì)，濃度范圍為0-400μM。由于石墨烯對于DNA的吸附作用突出（通過π-π鍵相互作用），結(jié)果顯示吸收度（A）與分析物濃度形成了良好的線性關(guān)系，這和我們的理論分析一

5、致。本方法制作的傳感器靈敏度高，響應時間和恢復時間非常短，且全部光路束縛在光纖內(nèi)，避免了外界的干擾，使得輸出信號穩(wěn)定持久。
　　（3）在超平石英基底上用還原液相硝酸銅（CuNO3）的方法生長一層銅納米顆粒，在銅箔上用CVD方法生長高質(zhì)量單層石墨烯，通過干法轉(zhuǎn)移把石墨烯轉(zhuǎn)移到銅納米顆粒表面，形成基于石墨烯/銅納米顆粒/石英基底的三層結(jié)構(gòu) SERS基底。一方面，石墨烯可以保護銅納米顆粒不被氧化；另一方面，石墨烯的化學增強作用也使得拉曼

6、信號可以得到進一步的放大。
　?。?）在超平石英基底上用真空鍍膜-退火的方法制備銅納米顆粒，用 CVD方法在所制備的銅納米顆粒表面直接生長石墨烯，形成銅納米顆粒-石墨烯的核殼結(jié)構(gòu)SERS基底，這是基于石墨烯的SERS基底的一大進步。石墨烯外殼和銅納米顆粒無縫銜接，以腺嘌呤核苷和羅丹明6G（R6G）為探測物，證明此基底的SERS效應遠遠好于轉(zhuǎn)移的石墨烯-銅納米顆?；缀图冦~納米顆?；祝液藲そY(jié)構(gòu)的石墨烯外殼能更有效地保護銅納米顆

7、粒不被氧化，更重要的是，本方法能大大縮短石墨烯外殼與銅納米顆粒之間的距離，使得因為間距導致的電磁場損失降到最低。結(jié)合時域有限差分方法進行模擬計算，計算結(jié)果和實驗結(jié)果相一致，為SERS基底的設(shè)計和SERS機理的解釋提供了一種新的思路。
　　（5）研究發(fā)現(xiàn)，納米多孔的硅基底可以增加SERS基底的有效熱點，從而進一步增加拉曼信號的靈敏度，我們首次在金字塔狀的硅片上生長類石墨烯結(jié)構(gòu)晶體-二硫化鉬，形成二硫化鉬-金字塔硅的雙層結(jié)構(gòu)SERS基