二硫化钼油墨的制备及湿敏特性研究

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类石墨烯过渡金属硫化物二硫化钼(MoS2)以其丰富的储量、易于层状化和独特的物理化学性能有望被应用于晶体管、光探测器、传感器以及析氢催化等方面。然而,将层状MoS2应用于器件时存在工艺复杂、成膜不均匀、器件性能较差等问题。本论文开发了一种实现技术简便的柔性MoS2基湿度传感器的制造技术,并对其湿敏特性进行了研究。主要研究结果如下:(1)采用液相超声剥离法,利用汉森溶解度参数理论计算得到体积分数50%的乙醇-水溶液为适宜的溶剂体系;探究了液相超声功率、超声时间以及MoS2粉体初始浓度对MoS2纳米片分散液浓度的影响规律,得到优化条件:超声功率350W,超声时间48 h,MoS2粉体初始浓度10 mg/mL,所得分散液的浓度为0.16 mg/m L。针对分散液稳定性差的问题,选取聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为稳定剂。结果表明,PVP可以有效地提高分散液的稳定性,分散液放置两个月后没有出现沉淀;同时,得益于PVP在剥离过程中的插层作用,分散液的浓度有大幅提高,达到0.42 mg/m L。(2)基于所获得的MoS2分散液,通过物性参数调节剂(乙二醇、正丙醇和丙三醇)的加入对油墨粘度和表面张力进行调节,得到最终油墨的粘度和表面张力分别为2.8 mPa·s和30.2 mN/m;油墨流体动力学特性参数Z为8.86,表明油墨具有良好的可喷印适性;同时,油墨也具有优异的长期稳定性。(3)利用喷墨印刷-化学沉积技术在经过表面预处理的纸基上形成铜叉指电极。采用SEM和EDS对铜叉指电极的表面形貌及成分进行了分析,均匀的铜颗粒形成了连续致密的铜层,且铜层纯度高;铜叉指电极具有较低的电阻率,其电阻率仅为2.62×10-8Ω·m。(4)利用喷墨印刷技术,在纸基铜叉指电极上形成均匀分布的MoS2感湿功能层。测试了MoS2湿度传感器的湿敏特性,结果表明该湿度传感器感湿量程宽(RH=11%RH=95%)、湿滞回差小(4.49%RH)、器件稳定性高(三个月后器件性能依旧稳定);湿度由RH=11%上升到RH=95%时,其响应恢复时间分别为2 s和3 s;经验证,该湿度传感器可用于监测人体的呼吸速率。本论文的研究工作表明,利用喷墨印刷技术,可以在柔性基上便捷地实现感湿特性优良的MoS2基湿度传感器的批量制备。
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