新研究发现：石墨烯接触电阻可不受湿度影响！

导读

近日，瑞典皇家理工学院等欧洲机构的科研组成的团队发现，当二维材料石墨烯与金属电路集成时，接触电阻不会受到湿度的损害。这项发现将有助于显著降低开发新型传感器的成本。

背景

石墨烯，是由单层碳原子组成的蜂窝状结构的薄片，具有卓越的导电与机械特性以及柔性、透明等优势，一度被誉为“新材料之王”。

（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

石墨烯的应用范围广阔，例如柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等。其中，传感器是石墨烯的一个非常重要的应用，石墨烯传感器能将环境参数转化为计算机可处理和测量的电信号。

石墨烯传感器能对哮喘发作进行早期检测和预警（图片来源：Azam Gholizadeh）

独特的二维结构，使得石墨烯基传感器极度灵敏。未来几年内，石墨烯传感器也有望以低成本实现高性能。为此，与传统电子电路集成时，石墨烯需要实现高效的电气接触。这种合宜的接触对于任何传感器来说都非常关键，也将显著影响其性能。

可是，问题来了：石墨烯对于湿度敏感，周围空气中的水分子很容易被吸收到它的表面上。H₂O分子改变了这种碳基材料的电阻，会将失真的信号引入到传感器中。

创新

但是，近日瑞典皇家理工学院等欧洲机构的科研组成的团队却发现，当二维材料石墨烯与金属电路集成时，接触电阻（材料总电阻的一部分，由界面上的不良接触引发）不会受到湿度的损害。这项发现将有助于显著降低开发新型传感器的成本。

图片展示了石墨烯器件的接触电阻不会被其表面上吸收的水分子影响。（图片来源：Anderson D. Smith）

这项研究是欧洲 CO₂-DETECT 项目的一部分。除了瑞典皇家理工学院，瑞典公司 SenseAir AB 、德国公司 Amo GmbH 、西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚纳米技术研究所也参与了 CO₂-DETECT 项目。

这项研究成果发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

技术

简单说，石墨烯电气接触实现方法有两种：将金属沉积到石墨烯之上（顶部接触）；将石墨烯转移到在现有的金属之上（底部接触）。

在这项研究中，科研人员们研究了底部接触的化学气相沉积（CVD）石墨烯器件，通过实验提取了不同湿度等级的传输线模型（TLM）测试结构中的接触电阻。他们比较了不同湿度条件下的石墨烯的薄膜电阻与接触电阻。此外，他们还采用密度泛函理论（DFT）仿真研究了金-石墨烯界面的电子结构上吸收的水分子所产生的影响。

（图片来源：参考资料【2】）

TLM 器件的制造工艺示意图（图片来源：参考资料【2】）

价值

这项研究主要研究人员之一、瑞典皇家理工学院的博士生 Arne Quellmalz 解释道：“这将使传感器设计者工作得更轻松，因为他们不一定要考虑湿度对接触的影响，只需考虑它对石墨烯自身的影响。”

Quellmalz 还表示：“将石墨烯与传统电子器件结合到一起，你可以利用石墨烯的独特性质以及传统集成电路的低成本。结合这两项技术的一条途径就是将石墨烯放到成品电子器件之上，而不是将金属沉积到石墨烯薄片之上。”

论文作者们正在采用这种新方法创造首个石墨烯基传感器原型。更具体地说，这个传感器目的就是，通过中红外光的光学检测，来测量二氧化碳（主要的温室气体），并实现比其他技术更低的成本。

关键字

传感器、电子、石墨烯

参考资料

【1】https://www.agenciasinc.es/en/News/Waterproof-graphene-electronic-circuits

【2】Arne Quellmalz, Anderson D. Smith, Karim Elgammal, Xuge Fan, Anna Delin, Mikael Östling, Max Lemme, Kristinn B. Gylfason, Frank Niklaus. Influence of Humidity on Contact Resistance in Graphene Devices. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (48): 41738 DOI: 10.1021/acsami.8b10033

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