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一种集成式自供电纳米化学传感器的设计和制作

项目成员：何旺球（1426410514）王鹏云1426410408陶俊贤1326410232黄

家仪1326410116

指导教师：祝元坤

摘要：

本项目以石墨烯作为基本功能单元，设计并制备一种新型的集成式化学分子

驱动自供电传感器件；超薄二维纳米材料（石墨烯）作为基本功能单元制备新一

代的自供电传感器件，使器件能感受到环境中化学分子状态的改变而输出电信

号。石墨烯部分被聚合物薄膜所覆盖且另一部分暴露，当器件接触极性分子时，

可以产生明显的电信号。因此，本项目的研究具有一定应用前景和重要学术价值。

该类自供电传感器件可能应用于生产微型纳米传感器，具有自主创新知识产权。

1引言

近年来，随着纳米材料及纳米科学技术研究的不断深入，各种微纳电子器件

不断被研究开发，并在军事、生物医学、环境监测等领域展现出十分诱人的应用

[1]

前景。微纳电子器件不仅尺寸小，而且具有功耗低、速度快、易于大规模集成、

可移动等特点，但微纳电子器件需要有微尺度电源系统来供给电能，来维持正常

工作。随着电子产品小型化，亟待开发即能为之提供能量并且小、轻、柔性

的自供电传感器件。如果微电源器件能够持续收集环境中的能量并转换为电能，

将会永久性解决电池耗尽的问题。因此，开发具有能量转换功能的微电源，并与

传感器等器件集成构建自供电系统，是非常迫切的。可穿戴、物联网、智慧城市

等新兴产业的发展将推动微纳电子器件市场的迅速发展，牵引微电源产品的技术

变革和不断创新。

微纳自供电器件是当今的研究热点，目前的研究集中在以下几点：1）不断

提高能量转换效率。如何在减小尺寸的同时保持高的能量转换效率，需要新材料

和新工艺。2）具有柔韧性。未来可穿戴、可移植等器件的发展需要柔性的器件

与之配套。3）易于集成。为满足自供电、自供能驱动等系统的需求，微电源器

件应易于和传感器等进行集成。4）可从环境中持续捕获能量。微电源器件不仅

要有能量存储功能，还要能持续将环境中的能量转换为电能。自然界不缺能源，

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关键在于如何将能量有效收集并转换为电能，这需要不断开发新型的自供电传感

器件，将环境中潜在的光能、生物能、热能、振动能、电磁能等能量源转换为电

能。

微纳自供电传感器件的国内外研发现状：哈佛大学C.M.Lieber教授采用

[2]

Ge/Si核壳纳米阵列制作了太阳能电池。美国佐治亚理工学院Z.L.Wang教授在

2006年提出了纳米发电机的概念，利用ZnO纳米线的压电效应实现机械能到电

[3]

能的转换，并在之后的研究中发展了压电电子学的概念。最近，他们在单个原

子厚度的二硫化钼内观察到了压电效应，并研制出全球最纤薄的发电机兼力学感

[4]

知设备，其不仅透明轻质且可弯曲和拉伸。复旦大学的彭慧胜教授成功制备出

可拉伸的线状超级电容器，为可穿戴智能设备中电能的供应提供了一个解决思路

[5]

。上海交通大学利用非硅微加工技术制备了基于MEMS的压