天津大學納米中心：研發基于電子束直寫還原氧化石墨烯的快速響應溫度傳感器

高精度電阻式溫度傳感器具有穩定性高、響應速度快和制造簡單等優點，在日常生活中發揮著重要作用。然而，傳統的通道材料（如鉑）由于價格昂貴和初始電阻較低，嚴重限制了其發展。在過去的幾十年中，還原石墨烯氧化物（rGO）作為一種非常有前景的傳統材料替代品，因其的比表面積和多種可選的表面化學性質而受到廣泛關注。氧化石墨烯（GO）是一種絕緣體，然而還原后的氧化石墨烯(即還原氧化石墨烯)的片電阻可以降低幾個數量級，從而將材料轉化為半導體，甚至石墨烯類半金屬。制備的rGO溫度傳感器表現為負溫度系數熱敏電阻特性，具有較寬的工作溫度范圍以及高靈敏度等特點。

目前通過還原氧化石墨烯來制備溫度傳感器的方法有很多，比如熱還原、化學還原以及激光還原方法等。2018年Sehrawat等人通過熱還原制備的rGO溫度傳感器在30 ℃ ~ 100 ℃溫度范圍內，電阻溫度系數（ TCR ）可達0.801 %/℃，響應時間為52 s。但是，熱還原法不可避免地需要較高的溫度，這可能會對實際應用中集成到傳感器上的其他電子設備造成損害。Sahoo等人通過使用化學還原的方法制備的超快rGO溫度傳感器，其響應時間可達0.59 s，恢復時間為7.22 s。然而，在化學還原在還原過程中需要用到劇毒的還原劑，對環境不太友好。與此同時，最近開發出了激光束還原 GO（LIG）技術，用于實現單步圖案化 rGO 生產。雖然這種方法比傳統方法得多，如直接圖案化，無需額外的光刻后步驟來制造圖案化的 rGO，只需在環境條件下操作，以及生產良率高，但其較低的靈敏度（0.142 %/℃）和微米級的圖案間距阻礙了其在更廣泛領域的應用。作為一種替代方案，電子束輻照（EBI）誘導的 rGO 有可能將這種技術升級為具有更高的器件密度和更好的靈敏度的溫度傳感器。

高能電子與物質的相互作用來電離和激勵各種物質的分子，從而引發化學反應，因此，使用高度聚焦的電子束可以實現在微米甚至納米尺寸上還原GO。通常情況下，某些熱處理或光學處理無法實現的過程可以通過電子束輻照來實現。作為前途的納米級 rGO 制備方法，電子束輻照具有無毒、無化學成分、高效和高可調性等特點。然而，基于 EBI 的氧化石墨烯還原技術和機理的研究才剛剛起步。

在此，我們對不同電子束劑量和電子束能量下的電子束還原 GO 進行了系統研究。研究發現，在 30 ℃ ~ 80 ℃的溫度范圍內，TCR 隨電子束劑量的增加而單調降低，從 1.34 %/℃ 降至 0.59 %/℃。根據這些結果，基于 rGO 的溫度傳感器的 TCR 值達到了 1.18 %/℃，響應時間僅為 0.17 s。與其他方法制備的 rGO 溫度傳感器相比，通過 EBI 技術制備的 rGO 溫度傳感器的 TCR 變化范圍更廣，響應時間更短。

來源：傳感器專家網