下面是小编为大家整理的噪声谱作为基于液相剥落石墨烯气体传感器信息源（完整）,供大家参考。
噪声谱作为基于液相剥落石墨烯的气体传感器信息源
抽象
基于吸附的气体传感器的表面通常是非均相的，其吸附位点对气体颗粒结合的亲和力不同。了解吸附/解吸能、表面密度和不同类型位点的相对丰度非常重要，因为这些参数会影响传感器的灵敏度和选择性，并且与揭示响应产生机制相关。结果表明，基于吸附的传感器的噪声分析可用于研究气体在异质传感表面上的吸附，适用于工业上重要的液相剥落（LPE）石墨烯。我们在一氧化碳方面的结果 2 在 LPE 石墨烯表面的吸附，在石墨烯片状边缘和基平面上有不同类型的吸附位点，表明噪声谱数据可用于根据决定吸附材料传感性能的参数来表征这些表面。值得注意的是，频谱特征频率是传感表面上不同类型的吸附位点的相对丰度及其表面密度的明确指标。我们还证明，光谱特征表明了已经被另一种气体物种占据的结合位点的分数。所提出的研究可以应用于石墨烯和其他传感表面的设计和生产，具有最佳的传感性能。
关键字：
石墨烯基气体传感器; 传感器噪声频谱; 传感材料表征; 异质传感表面; 吸附- 解吸过程; 二氧化碳传感器 1. 引言
气体传感是一个与石墨烯和石墨烯基材料的应用相关的不断扩大的领域[1，2，3，4，5]。由这种材料制成的传感结构具有较大的比表面积，当暴露于气体颗粒的吸附时，其电气和机械参数可能发生显着变化，从而即使在极低的吸附量下也能产生可测量的传感器响应[1，6]。应用不同的化学功能化元素，以及石墨烯中结构缺陷的存在，可以显著提高对某些气体物种的感知能力[3，4，7，8]。液相剥落（LPE）石墨烯良好的气体传感性能源于其缺陷丰富的结构，其形式为片状，边缘具有丰富的高活性吸附位点[9，10，11]。然而，片片基面上存在另一种类型的吸附位点，使得 LPE 石墨烯表面不均相，在分析测量结果时需要特别注意。从这个意义上说，了解不同类型吸附位点的吸附-解吸（AD）工艺参数值至关重要。然而，对于许多气体（包括 CO），理论上或实验上获得的基于 LPE 石墨烯的使用，仍然缺少可用于气体传感的可靠数据。
2 ).在现有文献中，可以找到与各种气体在原始，功能化和有缺陷的石墨烯上的 AD 过程的吸附能相关的数据，通过使用密度泛函理论和其他计算方法确定[4]。然而，它们对于相同气体甚至相同传感表面的值通常是不同的，因为它们取决于所使用的计算方法，以及已考虑的不同效应和校正，并且或多或少地与给定的情况和传感表面完全对应[4，12]。鉴于其特定结构，它们在 LPE 石墨烯情况下的适用性可能值得商榷，该结构由具有不同边缘的随机排列和不规则形状的薄片组成。
除 LPE 石墨烯外，其他气体传感层可被视为非均相的，因为其表面位点对气体颗粒结合具有不同亲和力[13，14]。非均质性的原因可以是表面形态、结构或化学成分不均匀，包括存在各种缺陷、不规则性、空腔、孔隙、杂质、表面上不同的官能团，或构成表面不均匀性的其他一些特征。了解传感器异质性对于传感器表征很重要[15]，但它也可用于优化传感器对不同气体物种的响应[16]。无论非均性的性质如何，都必须表征传感表面的吸附特性，因为它们本身会影响气体传感器的性能。除了了解吸附/解吸能量外，了解表面各种吸附位点类型的相对丰度也很重要，因为它们决定了传感器响应速率和大小，灵敏度，选择性和传感表面恢复所依赖的主要吸附机制。因此，这些数据可以在设计和制造石墨烯基表面和其他传感表面期间优化传感性能。
除了在瞬态和稳态下测量和分析时间传感器响应的常用气体检测方法外，还出现了提高传感性能的新方法。传感器噪声的频谱分析，即由气体颗粒吸附-解吸过程的固有随机性引起的传感器信号随机波动的频谱分析，已被证明是检测和鉴定各种类型的基于吸附的传感器中的气体的有前途（甚至更优越）的方法[17，18]，包括石墨烯气体传感器[19，20，21]。光谱分析的主要优点是与传统方法相比具有更高的灵敏度，并且对基线漂移具有固有的选择性和不敏感性[17，19，20]。
在这项工作中，与以前关于使用传感器噪声谱进行气体检测和识别的工作相反，我们提出了一种分析气体传感器噪声谱的新应用，其传感层由非均相材料（如 LPE 石墨烯）制成，用于表征传感表面的吸附性能。我们工作的主要新颖之处在于，基于对测量噪声的分析，确定吸附材料表面上不同类型吸附位点的相对丰度，位点的表面密度，以及它们所占据的有效表面积及其数量。这些数据在文献中是缺乏的，对于开发具有改进性能的吸附传感器，以及基础材料研究和研究吸附过程以及不同气体和表面之间相互作用的机制非常重要。我们使用为非均相吸附表面开发的噪声数学模型[22]，并调整其形式，以便能够提取在具有
不同类型吸附位点的表面上表征 AD 过程的参数。通过使用 CO 2 以传感器为例，我们表明噪声频谱的特征频率唯一地表明了LPE 石墨烯表面上边缘和基平面吸附位点的相对丰度，以及位点的表面密度和数量。一氧化碳 2 之所以选择，是因为需要在各种应用领域测量该气体的浓度。例如，一氧化碳 2 是一种空气污染物和温室气体排放量不断增加的温室气体[23]，导致全球变暖和生态系统的破坏。一氧化碳 2 被认为是一种无毒气体，但如果一个人长时间接触它，它对健康有害。在许多工业过程和科学研究中都需要测量一氧化碳 2 浓度，低浓度也值得关注[24]。在医学上，敏感的一氧化碳 2 二氧化碳图中需要传感器来检测早期疾病或在麻醉和某些药物治疗期间监测患者的生理功能[24]。因此，需要各种一氧化碳 2 传感器，包括用于痕量 CO 的高灵敏度传感器 2 ，低成本和低功耗的小型化气体传感器部署在密集网络中，能够在室温或环境温度下进行实时原位测量的传感器，以及那些实现为柔性或可穿戴设备的传感器。石墨烯气体传感器在满足上述要求方面具有巨大的潜力。因此，正在投入大量研究工作，将这种材料用于 CO 2 传感，正如涉及这一主题的科学文献量所证明的那样。虽然可检测的一氧化碳非常小 2已经使用石墨烯传感器（例如，[25，26，27]）报告了浓度，为了充分利用石墨烯作为传感材料，有必要在捕获气体分子和气体颗粒与石墨烯之间的电荷转移方面优化传感层（例如，通过使用富含缺陷的石墨烯和表面功能化）。正是通过研究传感材料的吸附性能，可以在设计和制造用于检测特定气体的传感器期间表征和优化传感性能。因此，本文的目标之一是提出一种表征现实非均相吸附材料的新方法。一氧化碳 2 作为示例性气体，但所提出的方法也适用于其他气体（包括有毒气体，如 SO）
2和 NOx）和传感表面（其他类型的石墨烯和石墨烯基材料，其他 2D 材料，半导体氧化物等），以及在吸附位点类型较多的情况下。
2. 异构传感表面传感器噪声的数学模型
基于吸附的气体传感器的非均相活性表面由对某种气体物种具有不同亲和力的吸附位点的空间分布来定义。一般情况假设表面上有 n（n≥2）种类型的吸附位点，其中吸附表面可以被认为是由局部均匀表面部件的集合组成的。最简单的非均相表面有两种不同类型的吸附位点，在这里将对其进行详细分析。还将考虑具有三种类型站点的表面的情况。通过假设只有一个气体颗粒可以结合到任何类型的单个位点，并且吸附颗粒彼此之间不相互作用，可以应用表面上发生的 AD 过程的多站点 Langmuir 模型[28]，其形式为：
(1) 这里的索引“i”是指 I 型的吸附位点，N 我 表示吸附气体颗粒的数量，α 我 是粘附系数，N 米 是吸附位点的数量，n米 是位点表面密度，p 是气体压力，M 是单个气体颗粒的质量，T 是温度，以及 k B 是玻尔兹曼常数。气体颗粒吸附在 i 型位点上的平均时间 (2) 取决于解吸能量 E 地 、温度和吸附颗粒的热振动周期，τ 0i
(R g 是气体常数）。
等式（1）对于每种类型的吸附位点，产生吸附气体颗粒数量（N 我 (t）），AD 过程中处于稳定状态的吸附颗粒数（N即 ），以及 AD 过程接近稳态的时间常数 （τ 我 ): (3) 其中参数 b 我 等于
(4)
传感器时间响应现在可以表示为 AD 过程在不同类型的吸附位点上产生的分量的总和（r 我 是 i 型位点上吸附气体颗粒数对响应的转换因子：
(5) (6) 根据前面的表达式，在给定温度下传感器环境中存在某种气体时，传感器的固有响应（其动力学，幅度，上升时间）取决于给定分析物的传感表面的吸附特性。众所周知，基于吸附的传感器的响应通常不严格遵循单指数定律，因为不同的效应（例如，传质的显着影响，传感表面的非均匀性或由于非理想传感器选择性引起的寄生吸附）[29]。在石墨烯基气体传感器的实验中，已经观察到响应的初始快速增加，但响应以慢得多的速率接近稳态，这通常归因于高亲和力和低亲和力表面位点的不同填充速率[30，31]。这种响应的动力学通过使用两个时间常数来描述，如公式（6）预测的 n = 2。
由于 AD 过程的固有随机性，吸附在每种类型的吸附位点上的颗粒数量随机波动。这些波动，用 Δ 表示 N 我 (t），导致传感器时间响应的波动，ΔR（t）：
(7) 这构成了不可避免的吸附-解吸噪声。
为了获得传感器 AD 噪声的功率谱密度（PSD）的分析表达式，应分析稳定态值周围吸附颗粒数量的波动。实际瞬时吸附颗粒数在稳态下波动 N 即 如 N 我 (t) = N 即 4 千米 N 我 (在这里，我们简要介绍了基于 Langevin 方法（如[22]中 给出的）在传感表面上 n 种位点的情况下 AD 噪声的 PSD 的推导。从动力学方程（1）开始获得 n 个独立的朗格文方程：
(8) (ξ 我 是一个随机源函数）。在频域中求解方程（8）后，我们可以得到吸附在 i 型位点上的粒子数量波动的 PSD：
(9) 由于随机过程 ΔN 我 (t）
和 ΔN j (t）
对于每个对 i 和 j 在统计上是独立的，其中 I ≠ j，传感器 AD 噪声的 PSD 基于方程 （7）
和 （9）
以 n 洛伦兹量之和的形式获得：
(10) 特别是，对于具有两类吸附位点的传感表面，前面的表达式经过一些数学变换后，得到以下形式：
(11) 它揭示了 AD 噪声频谱中的三个特征频率：
(12) (13) 及其低频噪声幅度：
(14) 当有三种类型的吸附位点时，n = 3 的表达式（10）可以转换为：
(15) 其中频率 f c1 ,f c2 和 f c3 由等式（12）给出，对于等于 1，2 或 3 的 i，其余两个特征频率由等式确定：
(16) (17) (18)
低频噪声幅度为：
(19) 在这里，我们注意到方程式（13）和（14）可以用以下形式表示：
(20) (21) 其中所有数量都已定义。
所提出的表达式给出的数学模型将用于我们的进一步分析。
3. 结果和讨论
我们研究了噪声谱分析在表征异质传感表面方面的适用性，方法是考虑基于 LPE 石墨烯的二氧化碳电阻传感器，假设存在两种类型的吸附位点：石墨烯片边缘的吸附位点（1 型位点）和基平面上的吸附位点（2 型位点）[10]].1 型位点在总传感区域中所占比例相对较小，而 2 型位点则位于其主要部分。在这两种类型的位点上的吸附有助于传感器响应及其波动，而响应时间和幅度以及噪声谱特征取决于每种类型位点对目标气体的反应性和位点的表面密度及其在传感表面上的相对丰度。我们利用文献中发现的 DFT 计算获得的参数值，基于所提出的理论模型进行了理论仿真。结果将在特定方面与文献中的实验和模拟数据进行比较。
众所周知，二氧化碳和其他气体分子在原始石墨烯表面上的吸附是基于弱物理相互作用，产生非常低的传感器信号[4，32]。可以假设，这同样适用于位于石墨烯薄片无缺陷基平面上的吸附位点。边缘位点的反应性要高得多，因此这些位点上的吸附构成了对传感器响应的主要贡献。如果可以更有效地利用与基平面相对应的石墨烯表面的很大一部分，则响应幅度和传感器灵敏度将得到显着提高。实验和大量理论研究表明，通过使用不同的策略，包括石墨烯的掺杂或修饰，其中使用各种原子，分子，官能团或纳米颗粒，可以显着改善石墨烯对各种气体的反应性[4，23，33，34].因此，我们将假设石墨烯被化学功能化，以最大限度地利用其吸附表面。再加上存在许多边缘吸附位点，这显着改善了对二氧化碳的反应。一氧化碳的吸附 2 使用 DFT 方法研究了具有不同元素的功能化的石墨烯，结果表明在某些情况下实现了非常强的相互作用（即强化学吸附）[33 ，35，36，37，38，39]。然而，有必要考虑到，在强吸附的情况下，传感器的可重用性成为一个问题，因为传感表面的再生用于后续测量需要高效和完全地解吸气体颗粒。因此，功能化的最佳选择是传感表面和目标分子之间表现出足够强但同时可逆相互作用的元素。基于前面的考虑，AD 噪声分析可以合理地假设能量 E d2 = 12.5 千卡/摩尔（一氧化碳）
2 与功能化基平面位点结合，这是通过[40]中的密度泛函理论计算获得的。该研究描述了一氧化碳的吸附 2 Fe 官能化石墨烯片上的分子。它还报告了每个吸附 CO的 0.02 个电子的电荷转移 2 分子。LPE 石墨烯片通常具有不同几何形状组合的边缘结构。一氧化碳 2 分析了石墨烯纳米带对边缘缺陷的吸附，考虑了不同的边缘类型：基本之字形和扶手椅，以及它们的变化[32，41，42，43]。一些 DFT 计算产生了非常高的结合能值（通常在锯齿形边缘，例如，89.5 千卡/摩尔[32]），表明强烈的化学吸附，这是不可逆的。很明显，在这种高活性吸附位点上的不可逆吸附在稳态建立后不会对气体颗粒的波动做出贡献，这使得这些位点与 AD 噪声分析无关。中等强度的一氧化碳 2 据报道，石墨烯纳米带的锯齿形（57）和扶手椅吸附位点的结合，结合能约为 19 kcal/mol[43]。这些边缘的形成已被证明在石墨烯纳米带中具有能量优势[44，45]。在分析 LPE 石墨烯边缘吸附对传感器 AD 噪声的贡献时，我们将因此使用该值 E d1 = 19 千卡/摩尔 电阻式传感器的工作原理是基于通过石墨烯和吸附物之间的电荷转移相互作用来吸附诱导的石墨烯电导率的变化。因此，在这样的传感器中，气体吸附实验是通过测量传感层...
推荐访问:噪声谱作为基于液相剥落石墨烯气体传感器信息源 信息源 剥落 石墨