Nano Res.[碳]│中国科学院金属所任文才/马来鹏团队：水珠模板洁净生长石墨烯微米筛，打造高灵敏度NO₂传感器

背景介绍

NO₂作为一种有害气体，即使在极低浓度下也会对人体健康和环境安全造成威胁，因此高灵敏、低检测限的NO₂传感器在环境监测、工业安全和医疗领域具有重要应用前景。石墨烯因其高比表面积和优异的电学性能成为气敏传感器的理想材料，而石墨烯微/纳米筛凭借其丰富的边缘活性位点和独特结构更具优势。然而，传统石墨烯筛制备方法常面临金属或聚合物残留污染及转移过程导致的结构破损，严重限制了传感器性能的提升。如何实现无污染、无破损的石墨烯筛制备，成为亟待解决的难题。

成果简介

中国科学院金属研究所任文才研究员和马来鹏研究员团队开发了一种创新的水珠模板辅助的化学气相沉积方法，在SiO₂/Si衬底上直接生长出洁净、无损的石墨烯微米筛（GMM）。采用水蒸气冷凝形成的微米级水珠作为无残留模板，该方法实现了孔径从亚微米到几十微米的调控。所制备的GMM传感器无需转移工艺，最大程度上保留了高活性的边缘位点，表现出优异的NO₂检测性能：室温下灵敏度高达7.25% ppm^-1，检测极限低至1.18 ppb，远超已报道的CVD石墨烯基传感器。这项工作为制备高性能石墨烯气体传感器提供了新策略，从而为其在环境监测和工业安全领域的实际应用奠定了基础。

图文导读

图1：GMM生长示意图及碳吸附的密度泛函理论分析。(a) 采用水珠模板CVD生长GMM的示意图：(Ⅰ) 水蒸气冷凝形成水珠；(Ⅱ) 快速加热形成SiOH区域；(Ⅲ) 石墨烯在无SiOH区域优先成核生长形成筛状结构。(b) SiO₂和SiOH表面的DFT计算模型。(c) C、CH、CH₂、CH₄在SiO₂和SiOH表面的吸附能比较。

图2：GMM的形貌与结构表征。(a) SEM图，生长参数：生长时间60分钟，水蒸气注入5分钟，比例尺：10微米。(b) AFM图；插图为沿白虚线的厚度轮廓，比例尺：10微米。(c) TEM图，比例尺：2微米。(d) 孔内（蓝色）和孔外（红色）区域的拉曼光谱；插图为拉曼面扫图，比例尺：2微米。(e) GMM的XPS全谱。(f) C 1s XPS谱。

图3：不同孔径GMM的形貌及统计分析。(a-c) 光学显微镜图像，展示水蒸气注入时间分别为2、5、10分钟条件下GMM的形貌，比例尺：10微米。(d-f) 对应SEM图像，比例尺：10微米。(g-i) 三组GMM的孔径统计分布，平均孔径分别为0.62 ± 0.23微米、3.8 ± 1.0微米和17.8 ± 9.5微米。

图4：水珠模板法制备GMM的形貌演变过程。(a-d) 典型的SEM图像，展示GMM在不同生长时间（20分钟、30分钟、60分钟、120分钟）的孔洞形貌演变。生长条件：H₂/CH₄ = 60:15 sccm，温度1100°C，比例尺：1微米。

图5：小孔径GMM传感器对NO₂的检测性能。(a) GMM传感器用于NO₂检测的示意图。(b) GMM传感器在1至20 ppm NO₂浓度下的电阻变化曲线。(c) 传感器响应值随NO₂浓度的拟合曲线。(d) GMM传感器与其他CVD石墨烯基NO₂传感器的关键性能指标（灵敏度和检测限）对比。

图6：NO₂分子在石墨烯上的吸附构型及电荷密度差异。(a-c) NO₂分子在本征石墨烯（p-graphene）、缺陷石墨烯（d-graphene，θ=21.8°）和圆形图案化石墨烯（c-graphene）上的稳定吸附构型，黑色、红色、绿色和黄色球分别代表C、N、O和H原子。(d-f) 电荷密度差异，蓝色和黄色分别表示电荷耗尽和积累。(g-i) 二维电荷密度分布。

作者简介

任文才，中国科学院金属研究所研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事二维材料研究，包括新型二维材料的创制及石墨烯的制备与光电、热管理、储能等应用。近年来，作为负责人承担了国家重点研发计划项目、基础加强重点项目、国家杰出青年科学基金等重大重点项目十余项。在Science、Nature、Nat. Mater.等期刊发表主要论文200多篇，被他引4万余次，自2018年起连续入选科睿唯安公布的全球高被引科学家。获授权发明专利100余项，多项已转化实施，孵化了3家高技术企业，产品已在多个重要领域应用。现任英国物理学会《2D Materials》主编。

马来鹏，中国科学院金属研究所研究员。从事石墨烯的CVD制备与器件应用研究。在Nature、PNAS、ACS Nano等期刊发表论文70余篇，授权发明专利28项。

目前课题组中有研究员5名（博导3名），杰青1人，优青1人。已培养毕业生20余人。其中4人获得中科院院长特别奖，3人获得中科院院长特别奖，6人获中科院优秀博士毕业论文，4人入选海外高层次人才，2人获国家杰出青年基金资助，2人获国家优秀青年基金资助。就业去向大致包括三方面：1.美国、德国、新加坡知名研究机构从事博士后研究；2.华为、荣耀、长江存储、美的等国内知名高科技企业；3.国内高校或留组工作。真诚欢迎各位优秀学子加入！

文章信息

Wei S, Zhou T, He X-L, et al. Dewdrop-templated clean growth of graphene micromeshes on SiO₂/Si substrates for highly sensitive NO₂ gas sensors. Nano Research, 2025, 18(11): 94907861. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907861.