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近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院范绪阁教授课题组（微纳机电传感器与石墨烯课题组）与中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任张文栋教授等研究人员合作，在硅基石墨烯湿度传感器的研究中取得了重要进展。相关研究成果以“Humidity Sensing Properties of Different Atomic Layers of Graphene on the SiO2/Si Substrate”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF：8.3）上。该论文第一作者为北京理工大学硕士研究生高强，通讯作者为北京理工大学范绪阁教授、中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院王晓晶助理研究员及中北大学张文栋教授。

课题组报道了硅基（SiO2/Si）不同原子层数的石墨烯的湿度传感器（图1），研究了不同原子层数（1-3个原子层）的石墨烯、不同敏感面积的石墨烯对制备的湿度传感器响应度、响应时间/恢复时间的影响。如图2 所示，发现所制备的石墨烯湿度传感器的相对电阻变化随着石墨烯原子层数的增加而降低；基于三个原子层的石墨烯的湿度传感器呈现出最快的响应时间与恢复时间；基于双原子层的石墨烯的湿度传感器呈现出最慢的响应与恢复时间。总体比较，基于双原子层的石墨烯的湿度传感器在响应度与稳定性方面呈现出相对较好的性能，因此，所制备的基于双层石墨烯的湿度传感器被应用于呼吸检测与无接触的手指检测（图3）。这些研究结果有利于深入理解硅基石墨烯湿度传感特性，将促进石墨烯在湿度传感器领域的应用。

图1 硅基不用原子层数的石墨烯湿度传感器的制备流程示意图及SEM图

图2 硅基不同原子层数的石墨烯湿度传感器特性比较

图3 所制备的石墨烯湿度传感器在呼吸检测与手指无接触检测方面的应用验证

论文详情：Qiang Gao, Hongliang Ma, Chang He,Xiaojing Wang, Jie Ding, Wendong Zhang, Xuge Fan, Humidity Sensing Properties of Different Atomic Layers of Graphene on the SiO2/Si Substrate, ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16, 41, 55955–55963. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.4c11194 

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c11194 

本研究受到北京市自然科学基金、国家自然科学基金、XXX技术领域基金、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、北京理工大学特立青年学者人才支持计划启动项目、北京理工大学科技创新计划等项目的资助。

在基于石墨烯及其衍生物的湿度传感器研究方面，范绪阁教授与其合作者先前已经做出了系列研究工作，例如基于原子层厚度的石墨烯的硅基湿度/气体传感器，基于石墨烯衍生物与MoS2复合纳米薄膜的柔性湿度传感器、基于石墨烯的湿度传感器的最新研究进展综述等。相关研究成果相继发表在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; 具体发表链接如下：

https://doi.org/10.1039/C7RA02821K

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.11.038

https://doi.org/10.1021/acsami.8b10033

https://doi.org/10.1039/D4NR02207F

https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3398003

附作者简介：

高强，第一作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读硕士研究生。

马鸿梁，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读博士研究生。

何昶，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读博士研究生。

王晓晶，共同通讯作者，中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院王晓晶助理研究员，研究方向为微纳加工与传感、应用于极端环境的敏感材料。

丁洁，北京理工大学集成电路与电子学院副教授，研究方向为新型半导体器件的建模与仿真、传感器器件的建模仿真与机理。

张文栋，共同通讯作者，中北大学仪器与电子学院教授，国家杰出青年基金获得者，中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任，获得国家科学技术发明二等奖3项（排名第一2项，第二1项）、国家科学技术进步二等奖1项，何梁何利基金“科学技术创新奖”，研究方向为动态测试技术与智能仪器、微型机电系统（MEMS）等。

范绪阁，共同通讯作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，研究方向为MEMS、NEMS、微纳传感器、石墨烯等敏感薄膜。