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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、具有柔性
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的压电发电机并表征
了其俘能效果。中国科学院苏州纳米所在新型柔性可穿戴仿生触觉传感器即人造
[6]
仿生电子皮肤方面做了系列工作。南京航空航天大学郭万林教授首次实现石墨
烯表面拖动海水液滴发电,并揭示了其中的物理机制，为石墨烯在能源领域的应
[7]
用开辟了新方向。中科院沈阳金属所设计并制备出基于碳纳米管/石墨烯的柔性
能量存储与转换器件，并发现其具有循环稳定性好、可快速充放电、可弯折等优
[8]
异性能。北京大学和大连化物所在石墨烯PN结的调控调制掺杂生长与光电转
[9]
换器件研究中进行了前沿性探索。
在之前的研究工作中，我们团队提出一种可将环境中的化学能转换为电能的
新型器件——分子驱动自供电传感
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