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商品簡介
作者簡介
名人/編輯推薦
序
目次
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《石墨烯傳感器及其在物聯網中的應用》涵蓋了石墨烯應用於傳感器領域的優勢、石墨烯傳感器的分類、石墨烯傳感器的工作特性、石墨烯光電探測器、石墨烯力學傳感器、石墨烯化學傳感器、石墨烯濕度傳感器及石墨烯傳感器的未來發展趨勢等內容,其中部分數據源於作者的研究成果,同時查閱和參考了大量中外文獻,內容系統完善,可借鑒性強。
《石墨烯傳感器及其在物聯網中的應用》可供從事石墨烯研究和傳感器研究的科研人員參考。
《石墨烯傳感器及其在物聯網中的應用》可供從事石墨烯研究和傳感器研究的科研人員參考。
作者簡介
朱宏偉，清華大學 材料學院，副院長 教授，1993年考入清華大學，分別於1998年和2003年獲學士和博士學位。2003年9月至2008年3月在日本和美國從事博士後研究。2008年4月回清華大學任教至今。現為清華大學材料學院副院長，長聘教授、博士生導師，微納力學中心研究員。
近年來主要從事以石墨烯為代表的納米材料多維多尺度可控合成及其在能源/環境/傳感領域的應用基礎研究。承擔國家重點基礎研究發展計劃（973）、國家自然科學基金、北京市科技計劃重大項目（石墨烯傳感器）、教育部博士點基金等20余項科研項目。獲授權國家發明專利16項、美國專利1項，在《科學》等期刊上發表論文200余篇，出版《石墨烯》、《碳納米管》著作2部。獲國際先*進材料協會“Advanced Materials Science and Technology”獎。“功能石墨烯分離膜在水處理中的應用”項目獲中國國際石墨烯創新創業大賽一等獎，“碳納米管宏觀體的研究”項目獲國家自然科學二等獎、教育部自然科學一等獎，“石墨烯結構設計與應用技術研究”項目獲高等學校科學研究優*秀成果自然科學二等獎。近年來在石墨烯制備、傳感器、水處理膜材料等領域開展了廣泛深入的合作研發，部分產品已實現示範應用。
近年來主要從事以石墨烯為代表的納米材料多維多尺度可控合成及其在能源/環境/傳感領域的應用基礎研究。承擔國家重點基礎研究發展計劃（973）、國家自然科學基金、北京市科技計劃重大項目（石墨烯傳感器）、教育部博士點基金等20余項科研項目。獲授權國家發明專利16項、美國專利1項，在《科學》等期刊上發表論文200余篇，出版《石墨烯》、《碳納米管》著作2部。獲國際先*進材料協會“Advanced Materials Science and Technology”獎。“功能石墨烯分離膜在水處理中的應用”項目獲中國國際石墨烯創新創業大賽一等獎，“碳納米管宏觀體的研究”項目獲國家自然科學二等獎、教育部自然科學一等獎，“石墨烯結構設計與應用技術研究”項目獲高等學校科學研究優*秀成果自然科學二等獎。近年來在石墨烯制備、傳感器、水處理膜材料等領域開展了廣泛深入的合作研發，部分產品已實現示範應用。
名人/編輯推薦
本書作者介紹了自己在利用石墨烯的各項性能制備傳感器的研究成果，內容參考性強，可供從事石墨烯研究及傳感器研究的科研人員參考。
序
物聯網是將萬物與互聯網連接起來,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。傳感器是物聯網乃至5G和工業互聯網應用的神經末梢,通過探測環境信息並感知環境變化實現替代人類全面感知自然的功能。傳感材料是傳感器的核心組元,采集待測信息後按照一定規律轉換為電信號或其他所需形式的信號輸出,以實現信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制。在信息化革命的浪潮中,現有先進傳感器不僅具有測量的功能,而且還需根據多種輸入信息加以選擇和判斷,因此對傳感材料提出了越來越高的要求。
納米技術為新型傳感材料的研發開啟了一條全新的途徑並注入了新的活力。作為典型的二維單原子層的納米材料,石墨烯及其衍生物具有優異的電學、熱學、光學、力學性能及高比表面積、良好的穩定性和靈活的可修飾性,在電子信息領域極具應用前景。鑒於此,本書著者基於國內外研究人員對石墨烯基材料在傳感器領域的研究與應用現狀,結合團隊多年的研究成果和已畢業博士生的工作撰寫本書,期望對從事該領域研究、開發、生產和應用的相關專業人員有所幫助、啟迪。
本書涵蓋了石墨烯應用於傳感器領域的優勢、石墨烯傳感器的分類、石墨烯傳感器的工作特性、石墨烯光電探測器、石墨烯力學傳感器、石墨烯化學傳感器、石墨烯濕度傳感器及石墨烯傳感器的未來發展趨勢等內容,其中部分數據源於作者的研究成果,同時查閱和參考了大量中外最新文獻。
本書共分為7章,撰寫分工如下：第1、2章楊婷婷,第3章姜欣、楊婷婷、朱淼,第4、5章姜欣、楊婷婷、朱宏偉,第6章楊婷婷、甄真、朱宏偉,第7章楊婷婷。全書由楊婷婷、朱宏偉統稿。
由於該領域發展日新月異,加之編者水平和能力有限,時間倉促,書中難免有疏漏和不足之處,敬請讀者和相關專家予以批評指正。
著者
2020年6月於清華園
納米技術為新型傳感材料的研發開啟了一條全新的途徑並注入了新的活力。作為典型的二維單原子層的納米材料,石墨烯及其衍生物具有優異的電學、熱學、光學、力學性能及高比表面積、良好的穩定性和靈活的可修飾性,在電子信息領域極具應用前景。鑒於此,本書著者基於國內外研究人員對石墨烯基材料在傳感器領域的研究與應用現狀,結合團隊多年的研究成果和已畢業博士生的工作撰寫本書,期望對從事該領域研究、開發、生產和應用的相關專業人員有所幫助、啟迪。
本書涵蓋了石墨烯應用於傳感器領域的優勢、石墨烯傳感器的分類、石墨烯傳感器的工作特性、石墨烯光電探測器、石墨烯力學傳感器、石墨烯化學傳感器、石墨烯濕度傳感器及石墨烯傳感器的未來發展趨勢等內容,其中部分數據源於作者的研究成果,同時查閱和參考了大量中外最新文獻。
本書共分為7章,撰寫分工如下：第1、2章楊婷婷,第3章姜欣、楊婷婷、朱淼,第4、5章姜欣、楊婷婷、朱宏偉,第6章楊婷婷、甄真、朱宏偉,第7章楊婷婷。全書由楊婷婷、朱宏偉統稿。
由於該領域發展日新月異,加之編者水平和能力有限,時間倉促,書中難免有疏漏和不足之處,敬請讀者和相關專家予以批評指正。
著者
2020年6月於清華園
目次
第1章 緒論/ 001
1.1 石墨烯的發現與結構 002
1.2 石墨烯的性能 004
1.2.1 電學性能 005
1.2.2 力學性能 005
1.2.3 光學性能 006
1.2.4 熱學性能 006
1.3 石墨烯應用於傳感器領域的優勢 007
本章小結 008
參考文獻 009
第2章 石墨烯傳感器研究與發展概況/ 011
2.1 石墨烯傳感器的分類 011
2.2 石墨烯傳感器的工作特性 012
2.2.1 靜態特性 012
2.2.2 動態特性 014
2.2.3 時間穩定性 016
2.2.4 工作條件的適應性 017
2.3 石墨烯傳感器的研究概況 017
2.3.1 石墨烯光電探測器 017
2.3.2 石墨烯力學傳感器 018
2.3.3 石墨烯液體傳感器 020
2.3.4 石墨烯氣體傳感器 021
2.3.5 石墨烯濕度傳感器 023
2.4 石墨烯傳感技術的發展趨勢 024
本章小結 025
參考文獻 025
第3章 石墨烯光電探測器/ 027
3.1 石墨烯光電探測器的研究現狀 027
3.1.1 原理與分類 028
3.1.2 應用領域 028
3.1.3 材料選擇與設計 030
3.2 石墨烯/硅異質結型光電探測器 039
3.2.1 器件模型 039
3.2.2 能帶結構及工作原理 040
3.2.3 性能檢測及評估指標 042
3.2.4 性能測試系統 044
3.3 界面氧化層改進石墨烯/硅異質結光電探測器 044
3.3.1 界面氧化層的引入 045
3.3.2 制備方法 047
3.3.3 模型分析 048
3.3.4 光電探測器性能分析 050
3.4 二氧化鈦納米粒子增強石墨烯/硅異質結紫外探測 060
3.4.1 器件模型 061
3.4.2 二氧化鈦納米粒子對器件紫外探測性能的影響 064
3.4.3 能帶結構及機制分析 070
3.4.4 二氧化鈦層厚度對性能的影響 071
3.5 還原氧化石墨烯/硅異質結光電探測器 073
3.5.1 制備方法 073
3.5.2 還原溫度對石墨烯薄膜性能的影響 074
3.5.3 還原溫度對器件性能的影響 079
3.5.4 器件在不同工作條件下的性能表現 085
3.5.5 還原氧化石墨烯/硅異質結的結特性 087
3.5.6 還原氧化石墨烯/硅異質結的1/f噪聲特性 091
本章小結 093
參考文獻 094
第4章 石墨烯力學傳感器/ 101
4.1 石墨烯力學傳感器的研究現狀 102
4.1.1 研究背景 102
4.1.2 原理與分類 103
4.1.3 材料選擇與設計 106
4.2 石墨烯力學傳感性質 111
4.2.1 完美晶格石墨烯 111
4.2.2 多晶石墨烯 113
4.2.3 石墨烯宏觀體 114
4.2.4 性能檢測及評估指標 116
4.3 類魚鱗結構石墨烯薄膜力學傳感器 119
4.3.1 制備方法及器件組裝 120
4.3.2 形貌調控 121
4.3.3 性能測試 122
4.4 編織結構石墨烯力學傳感器 124
4.4.1 制備方法及器件組裝 125
4.4.2 性能測試 125
4.4.3 機制分析 131
4.5 三維多孔結構石墨烯力學傳感器 142
4.5.1 制備方法 142
4.5.2 各向異性大孔石墨烯力學傳感行為及機理 147
4.5.3 球形大孔石墨烯力學傳感行為及機理 150
4.6 石墨烯基電子皮膚 151
4.6.1 分布式力信號探測 151
4.6.2 微小變形的探測 154
4.6.3 大變形的探測 161
本章小結 163
參考文獻 163
第5章 石墨烯化學傳感器/ 171
5.1 石墨烯化學傳感器的研究現狀 171
5.1.1 研究背景 171
5.1.2 原理與分類 172
5.1.3 研究現狀 172
5.2 石墨烯試紙液體傳感器 173
5.2.1 制備方法 174
5.2.2 結構表征 176
5.2.3 液體識別系統 177
5.2.4 液體識別原理 181
5.2.5 液體識別中的應用 185
5.2.6 飲質量量檢測中的應用 191
5.3 還原氧化石墨烯/硅異質結氣體傳感器 194
5.3.1 器件模型 194
5.3.2 伏安特性在不同氣體中的變化 195
5.3.3 電流響應在不同氣體中的變化 197
5.3.4 電流響應隨氣體流量的變化 199
5.3.5 電流響應隨氣體濃度的變化 201
5.3.6 電流響應隨時間和偏壓的變化 202
本章小結 203
參考文獻 203
第6章 石墨烯濕度傳感器/ 207
6.1 石墨烯濕度傳感器的研究現狀 207
6.1.1 研究背景 207
6.1.2 原理與分類 208
6.1.3 研究現狀 208
6.2 褶皺石墨烯濕度傳感器 211
6.2.1 褶皺石墨烯的制備與轉移 211
6.2.2 褶皺石墨烯的表面形貌表征 214
6.2.3 褶皺石墨烯的光譜表征 215
6.2.4 褶皺石墨烯的電阻、透光率與潤濕度表征 217
6.2.5 傳感器件的制備及測試方法 219
6.3 濕度傳感的特點與機制 221
6.3.1 表面均勻微水滴的形成 221
6.3.2 表面均勻微水滴的快速蒸發 223
6.3.3 濕度傳感機制 226
6.3.4 濕度傳感器的響應幅度 229
6.3.5 濕度傳感器的響應回復速度 230
6.3.6 濕度傳感器的穩定性 232
6.4 在呼吸監測與動作傳感中的應用 235
6.4.1 可穿戴呼吸監測傳感器 235
6.4.2 基於體表水分蒸發的動作傳感器 239
本章小結 241
參考文獻 242
第7章 石墨烯傳感器的未來/ 245
7.1 發現新傳感機理 246
7.2 智能化 246
7.3 仿生化 247
7.4 柔性化 249
7.5 網絡化 250
7.6 石墨烯傳感器在物聯網中的應用 251
本章小結 253
參考文獻 253
1.1 石墨烯的發現與結構 002
1.2 石墨烯的性能 004
1.2.1 電學性能 005
1.2.2 力學性能 005
1.2.3 光學性能 006
1.2.4 熱學性能 006
1.3 石墨烯應用於傳感器領域的優勢 007
本章小結 008
參考文獻 009
第2章 石墨烯傳感器研究與發展概況/ 011
2.1 石墨烯傳感器的分類 011
2.2 石墨烯傳感器的工作特性 012
2.2.1 靜態特性 012
2.2.2 動態特性 014
2.2.3 時間穩定性 016
2.2.4 工作條件的適應性 017
2.3 石墨烯傳感器的研究概況 017
2.3.1 石墨烯光電探測器 017
2.3.2 石墨烯力學傳感器 018
2.3.3 石墨烯液體傳感器 020
2.3.4 石墨烯氣體傳感器 021
2.3.5 石墨烯濕度傳感器 023
2.4 石墨烯傳感技術的發展趨勢 024
本章小結 025
參考文獻 025
第3章 石墨烯光電探測器/ 027
3.1 石墨烯光電探測器的研究現狀 027
3.1.1 原理與分類 028
3.1.2 應用領域 028
3.1.3 材料選擇與設計 030
3.2 石墨烯/硅異質結型光電探測器 039
3.2.1 器件模型 039
3.2.2 能帶結構及工作原理 040
3.2.3 性能檢測及評估指標 042
3.2.4 性能測試系統 044
3.3 界面氧化層改進石墨烯/硅異質結光電探測器 044
3.3.1 界面氧化層的引入 045
3.3.2 制備方法 047
3.3.3 模型分析 048
3.3.4 光電探測器性能分析 050
3.4 二氧化鈦納米粒子增強石墨烯/硅異質結紫外探測 060
3.4.1 器件模型 061
3.4.2 二氧化鈦納米粒子對器件紫外探測性能的影響 064
3.4.3 能帶結構及機制分析 070
3.4.4 二氧化鈦層厚度對性能的影響 071
3.5 還原氧化石墨烯/硅異質結光電探測器 073
3.5.1 制備方法 073
3.5.2 還原溫度對石墨烯薄膜性能的影響 074
3.5.3 還原溫度對器件性能的影響 079
3.5.4 器件在不同工作條件下的性能表現 085
3.5.5 還原氧化石墨烯/硅異質結的結特性 087
3.5.6 還原氧化石墨烯/硅異質結的1/f噪聲特性 091
本章小結 093
參考文獻 094
第4章 石墨烯力學傳感器/ 101
4.1 石墨烯力學傳感器的研究現狀 102
4.1.1 研究背景 102
4.1.2 原理與分類 103
4.1.3 材料選擇與設計 106
4.2 石墨烯力學傳感性質 111
4.2.1 完美晶格石墨烯 111
4.2.2 多晶石墨烯 113
4.2.3 石墨烯宏觀體 114
4.2.4 性能檢測及評估指標 116
4.3 類魚鱗結構石墨烯薄膜力學傳感器 119
4.3.1 制備方法及器件組裝 120
4.3.2 形貌調控 121
4.3.3 性能測試 122
4.4 編織結構石墨烯力學傳感器 124
4.4.1 制備方法及器件組裝 125
4.4.2 性能測試 125
4.4.3 機制分析 131
4.5 三維多孔結構石墨烯力學傳感器 142
4.5.1 制備方法 142
4.5.2 各向異性大孔石墨烯力學傳感行為及機理 147
4.5.3 球形大孔石墨烯力學傳感行為及機理 150
4.6 石墨烯基電子皮膚 151
4.6.1 分布式力信號探測 151
4.6.2 微小變形的探測 154
4.6.3 大變形的探測 161
本章小結 163
參考文獻 163
第5章 石墨烯化學傳感器/ 171
5.1 石墨烯化學傳感器的研究現狀 171
5.1.1 研究背景 171
5.1.2 原理與分類 172
5.1.3 研究現狀 172
5.2 石墨烯試紙液體傳感器 173
5.2.1 制備方法 174
5.2.2 結構表征 176
5.2.3 液體識別系統 177
5.2.4 液體識別原理 181
5.2.5 液體識別中的應用 185
5.2.6 飲質量量檢測中的應用 191
5.3 還原氧化石墨烯/硅異質結氣體傳感器 194
5.3.1 器件模型 194
5.3.2 伏安特性在不同氣體中的變化 195
5.3.3 電流響應在不同氣體中的變化 197
5.3.4 電流響應隨氣體流量的變化 199
5.3.5 電流響應隨氣體濃度的變化 201
5.3.6 電流響應隨時間和偏壓的變化 202
本章小結 203
參考文獻 203
第6章 石墨烯濕度傳感器/ 207
6.1 石墨烯濕度傳感器的研究現狀 207
6.1.1 研究背景 207
6.1.2 原理與分類 208
6.1.3 研究現狀 208
6.2 褶皺石墨烯濕度傳感器 211
6.2.1 褶皺石墨烯的制備與轉移 211
6.2.2 褶皺石墨烯的表面形貌表征 214
6.2.3 褶皺石墨烯的光譜表征 215
6.2.4 褶皺石墨烯的電阻、透光率與潤濕度表征 217
6.2.5 傳感器件的制備及測試方法 219
6.3 濕度傳感的特點與機制 221
6.3.1 表面均勻微水滴的形成 221
6.3.2 表面均勻微水滴的快速蒸發 223
6.3.3 濕度傳感機制 226
6.3.4 濕度傳感器的響應幅度 229
6.3.5 濕度傳感器的響應回復速度 230
6.3.6 濕度傳感器的穩定性 232
6.4 在呼吸監測與動作傳感中的應用 235
6.4.1 可穿戴呼吸監測傳感器 235
6.4.2 基於體表水分蒸發的動作傳感器 239
本章小結 241
參考文獻 242
第7章 石墨烯傳感器的未來/ 245
7.1 發現新傳感機理 246
7.2 智能化 246
7.3 仿生化 247
7.4 柔性化 249
7.5 網絡化 250
7.6 石墨烯傳感器在物聯網中的應用 251
本章小結 253
參考文獻 253
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