制备氧化石墨烯薄膜和柔性非接触式电容传感器的方法技术

本发明专利技术提供一种制备氧化石墨烯薄膜的方法和一种利用该方法制备的氧化石墨烯薄膜作为介电层来制备柔性非接触式电容传感器的方法。制备氧化石墨烯薄膜的方法包括以下步骤：准备滤膜；制备其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液；在滤膜上形成牺牲层；制备氧化石墨烯的水溶液；使氧化石墨烯的水溶液中的氧化石墨烯吸附在衬底上，得到复合结构；去除牺牲层，得到具有预定厚度的氧化石墨烯薄膜。根据本发明专利技术的制备氧化石墨烯的方法，能够可控的制备氧化石墨烯薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子器件制造
，具体地讲，本专利技术涉及一种制备超薄氧化石墨烯薄膜的方法以及一种利用该方法制备柔性非接触式电容传感器的方法。
技术介绍
非接触接近式传感器按其工作原理的不同可以分为电感式接近传感器、电容式接近传感器和霍尔式接近传感器。1831年法拉第发现了电磁感应，使得电感式接近传感器应运而生。电感式接近传感器的原理是利用法拉第电磁感应定律来检测导体材料的靠近而不用与它们实际接触，但这种传感器只能检测金属导体。霍尔式接近传感器是利用霍尔效应通过检测物体两端的电位差值(即，霍尔电位)来实现传感，是一种廉价但是灵敏度低的检测金属物体的接近式传感器。电容式接近传感器与电感式接近传感器有着类似的工作原理，但其可以检测任何可导电或具有不同介电常数的导电材料。电容式接近传感器非常适宜于触摸板应用，因为人类体内大部分含有的都是水，是一种高介电常数的物质，并且人体内还含有离子物体，使得人体成为很好的导体。随着越来越多的人机接口使用触摸传感控制器可靠的响应命令，接近电容式传感器变得越来越流行。石墨烯作为一种具有单原子层结构的二维材料，具有很多独特的电化学性质，从而使其在化学生物传感器、光电子器件和超级电容器方面都有着广泛的应用。氧化石墨烯作为一种石墨烯的衍生物，具有很多含氧官能团，是一种水溶性的二维绝缘材料。其众多的含氧官能团的存在，赋予其很多独特的化学性质，并且很容易通过化学修饰的手段与高分子、金属颗粒及金属氢氧化物等制备一些功能化的复合材料。同时，氧化石墨烯薄片之间存在的堆叠作用力，以及薄片边缘富含的含氧官能团之间的氢键、范德华力等作用力有助于通过自组装、抽滤、旋涂等方式制备氧化石墨烯薄片。但是这些方法制备的氧化石墨烯薄膜存在厚度难于控制，褶皱严重并且耗时长等缺点。
技术实现思路
本专利技术的一方面在于克服上述现有技术的不足，提供一种新颖的制备超薄氧化石墨烯薄膜的方法，该方法易于控制超薄膜的厚度并能够减少氧化石墨烯
的褶皱。所述方法包括以下步骤：准备滤膜；制备其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液；制备其中均匀地分散有氧化石墨烯的水溶液；将滤膜置于其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液中，以使金属氢氧化物纳米材料被吸附在滤膜上，从而在滤膜上形成牺牲层；利用形成有牺牲层的滤膜作为衬底，将其置于其中均匀地分散有氧化石墨烯水的水溶液中，以使氧化石墨烯的水溶液中的氧化石墨烯吸附在衬底上，形成沿厚度方向顺序地附有牺牲层和氧化石墨烯薄膜的复合结构；将复合结构浸入酸或碱溶液中以去除牺牲层，从而使氧化石墨烯薄膜从滤膜上剥离，得到具有预定厚度的氧化石墨烯薄膜。根据本专利技术的示例性实施例，金属氢氧化物纳米材料可以包括从镍、锌、钴、铝和锰中选择的至少一种组成的纳米级的金属氢氧化物，酸可以包括稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸和醋酸中的至少一种，碱可以包括氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，其中，滤膜的材质可以为从聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、有机尼龙66、有机尼龙6、聚烯烃类、陶瓷和玻璃组成的组中选择的一种。根据本专利技术的示例性实施例，金属氢氧化物纳米材料可以通过电化学方法或低温化学反应方法来得到。根据本专利技术的示例性实施例，制备氧化石墨烯的水溶液的步骤可以包括使用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯，然后经过沉降、离心和洗涤，从而得到氧化石墨烯的水溶液。根据本专利技术的示例性实施例，可以通过控制氧化石墨烯的水溶液的体积与浓度来调节吸附在衬底上的氧化石墨烯薄膜的厚度。本专利技术的另一方面在于克服现有技术的不足，提供一种低成本、工艺简单且耗时短的柔性制备柔性非接触式电容传感器的方法，所述方法包括以下步骤：制备具有预定图案和结构的柔性电极；将氧化石墨烯薄膜置于柔性电极上并设置电极引线，从而得到柔性非接触电容式传感器。根据本专利技术的示例性实施例，获得柔性电极的步骤可以包括在柔性衬底上使用打印、蒸镀或溅射的方法形成柔性电极。根据本专利技术的示例性实施例，使用打印的方法制备的电极可以为由银纳米颗粒或银纳米线制备的银电极，也可以是由石墨烯、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管的一种或多种形成的柔性导电碳电极，使用蒸镀或者溅射的方法制备的电
极可以为能导电的金属电极。根据本专利技术的示例性实施例，所述柔性衬底可以包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底。根据本专利技术的示例性实施例，柔性电极的结构可以包括平板式电极结构或者插齿形的单个或阵列化的电极结构。根据本专利技术的以上方面，可以获得如下有益的技术效果：提供基于氧化石墨烯薄膜的柔性非接触式电容传感器的制备方法及其应用方向；通过检测由湿度或电场分布的变化引起的电容值的变化来实现非接触检测；通过实现器件的阵列化还可以检测人体的手势或者导体的移动方向。此外，根据本专利技术的方法制备的氧化石墨烯薄膜以及柔性非接触式电容传感器的器件结构简单、新颖，制备过程较为简单，不需要苛刻的反应条件及特种设备，制造成本低，有利于实现工业化生产。附图说明图1A至图1D是根据本专利技术的示例性实施例的柔性电极图案的示意图；图2是利用根据本专利技术的一个示例性实施例的制备氧化石墨烯的方法制备的单个平板电容器检测人手接近时的电容值的变化；图3是利用根据本专利技术的另一个示例性实施例的制备氧化石墨烯的方法制备的单个叉齿电容器检测人手或者导体接近时的电容值变化。具体实施方式以下，将结合示例性实施例来描述根据本专利技术的示例性实施例的制备氧化石墨烯薄膜的方法和制备柔性非接触式电容式传感器的方法，但本专利技术并不限制于以下的示例性实施例。这些示例只是解释性和说明性的，并将权利要求的保护范围完整地传递给本领域技术人员。在本专利技术的权利要求和说明书中会出现顺序描述的步骤，然而，这些步骤不必须是顺序地执行。也就是说，对于两个顺序描述的步骤，它们可以按照描述的顺序依次执行，也可以根据工艺的需要选择同时执行，或者也可以以相反的顺序执行，或者它们之间也可以存在中间步骤。现有技术的氧化石墨烯薄膜的制备过程复杂，且存在其厚度难于控制、褶皱严重且耗时长等缺点，从而增加了柔性非接触式电容传感器的加工时间、制
造成本和次品率等。相比之下，本专利技术的以下示例性实施例提供了一种能够克服上述现有技术的不足的制备氧化石墨烯的方法和制备柔性非接触式电容传感器的方法。下面将详细地描述根据本专利技术的制备氧化石墨烯的方法。首先，准备滤膜。具体地讲，根据本专利技术的设计构思，滤膜的作用如下：在溶液中将构成牺牲层的金属氢氧化物纳米材料以及氧化石墨烯依次吸附在滤膜的表面，然后用稀酸或强碱来溶解牺牲层，从而使氧化石墨烯薄膜与滤膜分离。因此，能够实现上述功能的滤膜都可以适用于本专利技术。根据本专利技术的一个示例性实施例，滤膜可以是聚四氟乙烯滤膜，但本专利技术不限于聚四氟乙烯滤膜。也就是说，滤膜的材质还可以是从聚偏氟乙烯、有机尼龙66、有机尼龙6、聚烯烃类、陶瓷和玻璃组成的组中选择的一种。例如，根据本专利技术的又一示例性实施例，滤膜可以为陶瓷微膜。根据本专利技术的另一示例性实施例，滤膜可以为玻璃微孔膜。然后，制备其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液。具体地讲，由于金属氢氧化物纳米材料用作牺牲层，因此，能够被稀酸或强碱溶液溶解并且不影响形成在其上的氧化石墨烯薄膜的理化性质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氧化石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：准备滤膜；制备其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液；制备其中均匀地分散有氧化石墨烯的水溶液；将滤膜置于其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液中，以使金属氢氧化物纳米材料被吸附在滤膜上，从而在滤膜上形成牺牲层；利用形成有牺牲层的滤膜作为衬底，将其置于其中均匀地分散有氧化石墨烯水的水溶液中，以使氧化石墨烯的水溶液中的氧化石墨烯吸附在衬底上，形成沿厚度方向顺序地附有牺牲层和氧化石墨烯薄膜的复合结构；将复合结构浸入酸或碱溶液中以去除牺牲层，从而使氧化石墨烯薄膜从滤膜上剥离，得到具有预定厚度的氧化石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种制备氧化石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：准备滤膜；制备其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液；制备其中均匀地分散有氧化石墨烯的水溶液；将滤膜置于其中均匀地分散有金属氢氧化物纳米材料的水溶液中，以使金属氢氧化物纳米材料被吸附在滤膜上，从而在滤膜上形成牺牲层；利用形成有牺牲层的滤膜作为衬底，将其置于其中均匀地分散有氧化石墨烯水的水溶液中，以使氧化石墨烯的水溶液中的氧化石墨烯吸附在衬底上，形成沿厚度方向顺序地附有牺牲层和氧化石墨烯薄膜的复合结构；将复合结构浸入酸或碱溶液中以去除牺牲层，从而使氧化石墨烯薄膜从滤膜上剥离，得到具有预定厚度的氧化石墨烯薄膜。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属氢氧化物纳米材料包括从镍、锌、钴、铝和锰中选择的至少一种组成的纳米级的金属氢氧化物，酸包括稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸和醋酸中的至少一种，碱包括氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，其中，滤膜的材质为从聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、有机尼龙66、有机尼龙6、聚烯烃类组成的组中选择的一种。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属氢氧化物纳米材料通过电化学方法或低温化学反应方法来得到。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制备氧化石墨烯的水...

【专利技术属性】
技术研发人员：张珽，刘林，李光辉，吴永进，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32