2019大学生创新创业训练计划项目结题报告

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1、大学生创新创业训练计划项目结题报告　　一种集成式自供电纳米化学传感器的设计和制作　　项目成员：何旺球王鹏云1426410408陶俊贤1326410232黄家仪1326410116　　指导教师：祝元坤摘要：　　本项目以石墨烯作为基本功能单元，设计并制备一种新型的集成式化学分子驱动自供电传感器件；超薄二维纳米材料作为基本功能单元制备新一代的自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信号。石墨烯部分被聚合物薄膜所覆盖且另一部分暴露，当器件接触极性分子时，可以产生明显的电信号。因此，本项目的研究具有一定应用前景和重要学术价值。该类自供电传感器件可能应用于生产

2、微型纳米传感器，具有自主创新知识产权。　　1引言　　近年来，随着纳米材料及纳米科学技术研究的不断深入，各种微纳电子器件不断被研究开发，并在军事、生物医学、环境监测等领域展现出十分诱人的应用前景[1]。微纳电子器件不仅尺寸小，而且具有功耗低、速度快、易于大规模集成、可移动等特点，但微纳电子器件需要有微尺度电源系统来供给电能，来维持正常工作。随着电子产品小型化，亟待开发即能为之提供能量并且小、轻、具有柔性的自供电传感器件。如果微电源器件能够持续收集环境中的能量并转换为电能，将会永久性解决电池耗尽的问题。因此，开发具有能量转换功能的微电源，并与传感器等器件集成构建自供电系统，

3、是非常迫切的。可穿戴、物联网、智慧城市等新兴产业的发展将推动微纳电子器件市场的迅速发展，牵引微电源产品的技术变革和不断创新。　　微纳自供电器件是当今的研究热点，目前的研究集中在以下几点：1）不断提高能量转换效率。如何在减小尺寸的同时保持高的能量转换效率，需要新材料和新工艺。2）具有柔韧性。未来可穿戴、可移植等器件的发展需要柔性的器件与之配套。3）易于集成。为满足自供电、自供能驱动等系统的需求，微电源器件应易于和传感器等进行集成。4）可从环境中持续捕获能量。微电源器件不仅要有能量存储功能，还要能持续将环境中的能量转换为电能。自然界不缺能源。　　1　　关键在于如何将能量有效

4、收集并转换为电能，这需要不断开发新型的自供电传感器件，将环境中潜在的光能、生物能、热能、振动能、电磁能等能量源转换为电能。　　微纳自供电传感器件的国内外研发现状：哈佛大学教授采用Ge/Si核壳纳米阵列制作了太阳能电池[2]。美国佐治亚理工学院教授在20XX年提出了纳米发电机的概念，利用ZnO纳米线的压电效应实现机械能到电能的转换，并在之后的研究中发展了压电电子学的概念[3]。最近，他们在单个原子厚度的二硫化钼内观察到了压电效应，并研制出全球最纤薄的发电机兼力学感知设备，其不仅透明轻质且可弯曲和拉伸[4]。复旦大学的彭慧胜教授成功制备出可拉伸的线状超级电容器，为可穿戴智能

5、设备中电能的供应提供了一个解决思路　　[5]　　。上海交通大学利用非硅微加工技术制备了基于MEMS的压电发电机并表征　　了其俘能效果。中国科学院苏州纳米所在新型柔性可穿戴仿生触觉传感器即人造仿生电子皮肤方面做了系列工作[6]。南京航空航天大学郭万林教授首次实现石墨烯表面拖动海水液滴发电,并揭示了其中的物理机制，为石墨烯在能源领域的应用开辟了新方向[7]。中科院沈阳金属所设计并制备出基于碳纳米管/石墨烯的柔性能量存储与转换器件，并发现其具有循环稳定性好、可快速充放电、可弯折等优异性能[8]。北京大学和大连化物所在石墨烯PN结的调控调制掺杂生长与光电转换器件研究中进行了前沿

6、性探索[9]。　　在之前的研究工作中，我们团队提出一种可将环境中的化学能转换为电能的新型器件——分子驱动自供电传感器件，当器件所处环境中化学分子状态发生变化时可触发电信号，从而实现电能的捕获。当极性化学分子接触部分覆盖的ZnO纳米线时，ZnO覆盖端和暴露端于功函数不同而产生内部电势差[10]。利用这一原理可制成自供电的酒精检测仪，也可检测不同浓度、不同类别的有机化学试剂[11-14]，当人吸气-呼气循环作用于器件时，如图1所示，在无任何外接电源的情况下，器件可产生2-8nA的脉冲电流信号，交换电极可获得相反方向的电流信号，这意味着电流信号非测试系统误差或电阻变化引起的。

7、器件能将人体连续的吸气-呼气转换为电信号，这意味着人呼吸也可以发电，无疑是令人振奋的。以化学分子驱动器件产生电能是继光电、热电、压电效应之后的一种全新的器件设计理念，包含丰富的物理内涵；基于这种理念构建的器件未来在物联网传感器、　　2　　可穿戴器件、生物医疗器件等领域的自供电检测/自驱动系统构建等方面有巨大的应用前景。　　图1吸气-呼气循环作用于ZnO阵列自供电传感器件所产生的电信号超薄二维纳米材料，如石墨烯等，因其独特的物理化学特性成为材料界最为活跃的研究主题，在能量转换与存储、柔性透明显示、复合材料、传感器、集成电路等领域表现出十分诱