بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، حسگر رطوبت انعطاف پذیر برپایه ي اکسید گرافن که به روش گرمایی به طور جزیی کاهش یافته را گزارش می دهیم. لایه حسگري به روش لایه نشانی چرخشی بر روي زیرلایه اي از جنس پلی ایمید به نام تجاري کپتون نشانده شد. سطح ساختارهاي دو بعدي لایه ها با میکروسکوپ نیروي اتمی مشاهده و کاهش اکسید گرافن با طیف پراش اشعه X تایید گردید. خواص حسگري به رطوبت براي نمونه هاي مختلف با دماهاي پخت متفاوت 125 C، 150، 170 و 200 در دماي اتاق اندازه گیري شد. مشاهده شد که نمونه جزئاً کاهش یافته در دماي 150 C از پاسخ بالاتر در حدود % 10/9 و زمان هاي پاسخ و بازگشت 18 و 19 دقیقه به ترتیب برخوردار است. با توجه به رفتار حسگرهاي ساخته شده، تبادل بار و افزایش فواصل بین لایه هاي اکسیدگرافن در اثر جذب بخار آب به عنوان سازوکار حسگري حاکم پیشنهاد شد.
مقدمه
حسگرها به دلیل وزن کم، منعطف بودن، ارزان بودن و کاربرد در حسگرهاي رطوبت با توجه به کاربرد هاي گسترده در زمینه هاي برچسب ها ، قطعات الکترونیکی، منسوجات هوشمند و... بسیار مورد استقبال قرار گرفته اند . [2] مختلف صنعتی، دارویی، صنایع غذایی و زیست محیطی از اهمیت در میان مواد مختلفی که در ساخت حسگرها مورد استفاده قرار بسزایی برخوردارند .[1] امروزه تقاضا به سمت حسگرهاي گرفته اند، گرافن یک ماده دو بعدي عالی است که به سطح ویژه ي کوچک و انعطاف پذیر در حال افزایش می باشد به طوریکه این بزرگ - gr - 2600 m2، پایداري شیمیایی خوب، خواص الکتریکی خاص مانند نوفه کم و تحرك پذیري زیاد حاملها وهمچنین روش هاي تهیه آسان مورد توجه گرفته است.
[3] اکسید گرافن به عنوان یکی از مشتقات گرافن به دلیل وجود گروه هاي عاملی اکسیژن دار بر روي صفحاتش نقش مهمی در جذب مولکول هاي آب دارد به طوریکه خواص اپتیکی و الکتریکی اش در معرض بخار آب تغییر می کند. اگر چه گروه هاي عاملی اکسیژن روي اکسید گرافن می تواند H2O را بیشتر از گرافن خالص جذب کند، اما مقاومت الکتریکی اکسید زیاد است - از مرتبه مگا اهم - بنابر این دلیل کاربرد آن محدود به قطعاتی با مصرف توان پایین است .[4] بنابراین در این کار پس از لایه نشانی به روش چرخشی اکسید گرافن بر روي زیرلایه ارزان کپتون، نمونه را به منظور برخورداري از مقاومت مناسب در کاربرد حسگري به روش گرمایی کاهش جزئی دادیم و خواص حسگري رطوبت را در دماي اتاق اندازه گیري کردیم.
روش کار
سنتز اکسید گرافن و ساخت حسگر
براي سنتز اکسید گرافن از روش کریستال مایع - - liquid crystal استفاده کردیم که جزییات ساخت در مرجع [5] آمده است. در لایه نشانی سوسپانسیونی با غلظت 5 گرم بر لیتر آماده و بر روي زیر لایه هاي کپتون به روش پوشش دهی چرخشی لایه نشانی کردیم. زیرلایه کپتون یک نوع فیلم پلی ایمید انعطاف پذیر، سبک، محکم، پایدار در رنج دمایی بزرگ - - -269- 400 C است [6] و آزادسازي گاز - out gas - بسیار پایینی دارد. اما آب گریز بودن کپتون مشکلاتی در لایه نشانی به روش چرخشی سوسپانسیون گرافنی را ایجاد کرد که منجر به استفاده از محلول پیرانها به طور شیمیایی براي آب دوست کردن سطح شد.
پیرانها به علت عامل اکسید کنندگی قوي، سطح را از مواد آلی تمیز کرده و گروههاي هیدروکسیل به آن اضافه می کند و سبب آبدوستی سطح می شود. نتایج حاصل از آزمایش زاویه تماس نشان داد که سطح کپتون آبدوست تر شده است. در مرحله لایه نشانی با کم و زیاد کردن سرعت چرخش و زمان آن توانستیم به حالت بهینه اي دست یابیم که شامل سه مرحله - 10 s - 1000 rpm ، - 25 s - 2000 rpm و - 10 s - 3000rpm به ترتیب بود و در نهایت به لایه تقریبا یکنواختی رسیدیم.
شکل1 تصاویر حاصل از میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM - زیرلایه - الف - و سطح لایه نشانی شده - ب - را نشان می دهد. با حضور اکسیدگرافن زبري سطح از rms= 3/6 nm به 7/5 nm افزایش یافت. همچنین یکسان بودن تقریبی زبري در نقاط مختلف سطح نشان دهنده یکنواختی لایه نشانده شده می باشد. اکسید گرافن ماده اي نارساناست و گرافن رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد، براي کاهش جزیی اکسید گرافن به منظور کنترل رسانش الکتریکی و استفاده حسگري از روش ساده حرارت دهی استفاده کردیم.[7] هر یک از نمونه هاي لایه نشانی شده را در دماهاي 125، 150، 175 و200 درجه سانتی گراد به مدت یک ساعت قرار دادیم.
سپس الکترودهاي طلا به فاصله ي یک میلی متر و پهناي دو میلی متر را لایه نشانی کرده و نمونه ها رادر مدار قرار دادیم. با اعمال ولتاژهاي مختلف، جریان عبوري براي هر کدام از نمونه ها ثبت شد. همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود نمودار I-V همه نمونه ها خطی است و رفتار اهمیک دارند. همچنین با افزایش دماي حرارت دهی مقاومت نمونه ها روند کاهشی دارد که نشان از احیاي گرافن اکساید دارد.
با مشخصه یابی پراش اشعه Pan-alytical X’Pert Pro - x MPD با تابش - Cu Kα1 ازاکسید گرافن حرارت داده شده در دماي 150 درجه سانتیگراد پیک هاي GO و RGO را به وضوح مشاهده کرده - شکل - 3ب - - و مطمئن شدیم که توانسته ایم با حرارت دهی اکسید گرافن را به طور جزئی کاهش دهیم. ازروي جدول 1 می بینیم که در اثر حرارت فاصله ي صفحات کاهش یافته است که نشان دهنده جدا شدن گروه هاي عاملی در اثر حرارت می باشد.
آزمایشهاي حسگري
حسگر هاي آماده شده را مطابق شکل 4 در محفظه ي تست قرار داده و رطوبت را وارد محفظه می کنیم و تغییرات جریان را درولتاژ ثابت توسط مولتیمتر متصل به رایانه اندازه می گیریم.
