石墨烯传感器创新物联网应用

发布时间：2018-01-16 00:00
作者：
来源：Nitin Dahad
阅读量：1750

英国曼彻斯特大学的研究人员将石墨烯传感器嵌入于RFID装置中，实现了免用电池的无线智能湿度监测器；藉由这项研究推动石墨烯技术结合其他2D材料的可能性，从而为无线感测应用开创新的物联网应用…

英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究人员将石墨烯传感器嵌入于无线射频辨识(RFID)装置中，以实现免用电池的无线智能湿度监测器。这项研究的目标是实现物联网(IoT)在制造业、食品安全、医疗保健以及像核废料处理等敏感操作环境的应用。

研究人员在发表于《科学报告》(Scientific Reports)的论文中描述了他们的研究。透过将石墨烯氧化物(GO，石墨烯的衍生物)分层到石墨烯上以创建软性的异质结构，该团队开发了用于远程监控的湿度传感器，并能够连接到任何无线网络。该实验装置不需要电池供电，因为它能从接收器采集电力。据研究人员介绍，这些传感器可以逐层打印，以极低的成本实现大规模量产。

研究小组负责人Zhirun Hu预测，这项研究将致使“这一技术在未来与其他2D材料整合的可能性，从而开创无线感测应用的新局面”。

根据这篇论文，这项研究还涉及在GHz频率的各种湿度条件下测量GO的相对介电常数。研究人员发现，相对介电常数随着吸水量的增加而增加。在GHz频率环境下的实验结果，不同于几MHz或更低频率环境下的结果，在低频环境下，相对介电常数随着湿度的降低而增加。

研究人员利用石墨烯氧化物的这种电性能，透过在石墨烯天线上涂覆GO层来制作无电池无线的RFID湿度传感器。GO/石墨烯天线的谐振频率以及反向散射相位对周围湿度变得特别敏感，并且可以由RFID读取器检测到具体数值。因此，该结构允许将数字辨识组件放置在任何位置或物品上实现无线湿度监测，并为物联网应用的低成本高效率传感器铺路。

石墨烯传感器创新物联网应用

传感器可以逐层打印，以低成本实现大规模量产；该技术适用于一系列2D材料（来源：University of Manchester）

石墨烯于2004年在曼彻斯特大学被发现，是第一个被分离出的2D材料。它比钢更坚固，重量更轻、更软，导电性也比铜好。自从石墨烯被发现以后，陆续有其他一些2D材料被鉴定出来，而且这一串名单还在继续增加中。科学家们透过将2D材料按照精确选择的顺序分层，以创建范德华(van der Waals)异质结构，发现他们可以制造出针对特定用途的高性能结构。

负责协调湿度传感器项目的曼彻斯特大学教授Konstantin Novoselov于2010年荣获诺贝尔物理学奖，他称该项目是“可印刷技术的第一个例子，能让几种2D材料汇集在一起，创造出适合工业应用的功能组件。物联网是一个快速成长的技术领域，我相信2D材料将在这里发挥重要作用。”

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随着全球环保意识的加强，人们对节能、环保、可持续的新材料关注度增加。石墨烯作为一种新兴的材料，有“新材料之王”的美誉。又薄又硬的石墨烯是很多领域的首选材料，同时它具有非常良好的电学特性，是电子产业未来创新和发展的革命性材料。硅是如今应用最广泛的半导体材料，而石墨烯除了拥有不逊色于硅的半导体属性之外，它还拥有很多硅不具备的其它优点，有专家预测，石墨烯很可能成为替代硅的绝佳选择，这取决于它的产业化发展情况。由于硅材料的加工极限被认为是10纳米线宽，换句话说，随着制程小于10纳米，很难制出稳定的硅产品，产品要想实现更高的集成度和性能，必须采用新的半导体材料进行加工，石墨烯是一种新选择。石墨烯在半导体产业具有广阔的应用前景半导体产业主要由集成电路、光电子、分立器件和传感器组成，一种新的半导体材料想得到市场的认可需遵循很多规律，光电效应和霍尔效应就是最重要的两个定律。科学家曾在常温下观察到了石墨烯的量子霍尔效应，这种材料碰到杂质时不会产生背散射，这说明它有很强的导电性。由于石墨烯看上去几乎是透明的，它的光学特性优异，其光学特性随石墨烯厚度的改变而改变，这种特性很适合应用于光电子领域。石墨烯材料未来可能应用在显示屏、电容器、感光元件、晶体管、传感器等领域。一、柔性显示屏柔性显示屏是一种非常有前景的电子设备，其特点是超柔、超薄等，而制约其发展的一大关键就是材料，石墨烯材料的特性让人们对柔性显示屏的前景有了新的认识。近年来，全球都在积极探索相关的技术，据悉，韩国曾制造出了多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏，中国的奥翼电子将石墨烯用于显示技术，制造了石墨烯电子显示屏，这种屏幕耐摔、耐撞、透光率高且显示亮度非常好。石墨烯的透明性和柔韧性等特点，在柔性显示屏行业的前景不可限量。 二、电容器电容器是最常见的一种电子元器件之一，它广泛用于各种电路中，主要作用是实现调谐、滤波、耦合和隔直通交等，很多的电子设备中都有电容器。随着人们对充电速率和容量的要求，一种新型的超级电容器应运而生。据了解，科研人员发明了一种以石墨稀作为电极材料的电容器，它由两层石墨烯组成，基于石墨烯的超级电容器在充电和放电上性能卓越，很适合拥有新能源汽车充放电上。 三、感光元件感光元件在数码相机上应用广泛，石墨烯的光学特性让人们对这种材料的感光元件充满期待。石墨烯具有独特的光学特性可以调谐电，在特殊光照下，石墨烯拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。 据外媒报道，新加坡曾有研究人员用石墨烯材料制作一种特殊的感光元件，这种器件感光度超级棒，因为石墨烯感光元件能够检测到广谱光，在弱光的情况下，它的优势非常明显。 四、晶体管晶体管是一种固体半导体器件，在整流、放大、稳压和信号调制上有着不可替代的作用。石墨烯材料也可制作晶体管，和硅材料制作的晶体管相比较，石墨烯的超强稳定性使得其寿命更长，用途更广泛。据了解，IBM公司曾在2010年制作了一款石墨烯晶体管，其特性远超同类的硅晶体管，未来的前景非常广阔。 五、传感器传感器几乎是信息时代的“标配”产品，用石墨烯做成的传感器非常有优势，因为它的灵敏度可以远超同类产品。石墨烯具有独特的二维结构，这使得它对周围的环境非常敏感。在医学上，石墨烯传感器的感光特性能实现对很多病历的检测，这是由于它的纳米特性和感光性，很多传统传感器无法实现。石墨烯想要替代硅需解决这几大难题1、石墨烯的行业标准新材料作为一种新兴的产业，每年都在快速的发展，但是当前整个产业面临的一大难题就是缺乏统一的行业标准。国际标准和我国标准不一样，这就导致了很多的新技术无法实现共通和研究，制约了整个产业发展。未来我国要想发展相关的技术，除了闭门造车之外，还需要积极地参与到国际标准的制定中，将我国的技术成果和国际上接轨，一起推动全球石墨烯的行业标准的建立。 2、石墨烯的制造价格昂贵石墨烯由单层碳原子组成，超完美的柔韧性是很多制造业的理想材料，如今制造石墨烯材料的成本非常高。目前行业采用CVD设备制作单层石墨烯，由于缺乏完善的工艺技术，导致石墨烯的产品良率很低，这个问题困扰了行业很近，仍有待解决。 3、石墨烯材料的生态待完善对于石墨烯的应用，目前中小企业似乎比巨头们更积极，它们对于石墨烯的采用是主体。中国的很多大企业目前对于石墨烯材料仍处于观望态度，这也导致了整个行业发展的缓慢。据相关数据统计，截至2018年底，我国从事石墨烯材料研究的企业近千家，近一半的企业处于持平状态，上市企业不到十家。 石墨烯材料的发展现状以全球石墨烯行业的发展现状而言，美国和欧洲掌握了前沿的石墨烯技术，它们的专利和技术更牛。中国是近几年开始大力发展相关技术，也取得了很大的进步。中国每一年的石墨烯企业都在增加，而且很多企业已经实现了盈利，出现了几家有影响力的企业，如第六元素、二维碳素、凯纳股份、华高墨烯等，它们的产值已经跻身世界前列。 石墨烯材料的前景不可估量，虽然目前我国的产业链仍不成熟，但是我国有着非常好的应用和石墨烯矿石，这给我们成为石墨烯行业领导者奠定了基础，未来随着相关企业的崛起，中国的石墨烯产业前景非常可观。
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