ZnO復(fù)合石墨烯STMS：開啟高敏紫外傳感新時(shí)代一、引言1.1研究背景紫外線作為太陽輻射的重要組成部分，根據(jù)波長不同可分為UVA（315-400nm）、UVB（280-315nm）和UVC（100-280nm）三個(gè)波段。其中，UVA穿透力強(qiáng)，可直達(dá)皮膚真皮層，加速皮膚老化；UVB是導(dǎo)致曬傷和皮膚癌的主要元兇；而UVC在到達(dá)地球表面前幾乎被大氣層完全吸收，對(duì)人體影響不大。但在一些特殊環(huán)境中，如工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療消毒等領(lǐng)域，UVC以及其他波段的紫外線會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生重要影響。因此，科學(xué)監(jiān)測并有效防護(hù)紫外線，對(duì)于維護(hù)人類健康、保障生產(chǎn)安全以及環(huán)境監(jiān)測等方面至關(guān)重要。紫外傳感技術(shù)作為檢測紫外線強(qiáng)度和波長的關(guān)鍵手段，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在氣象觀測中，通過紫外輻射傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測紫外線強(qiáng)度，為公眾提供準(zhǔn)確的紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)，幫助人們合理安排戶外活動(dòng)時(shí)間，避免長時(shí)間暴露在強(qiáng)紫外線下，預(yù)防皮膚曬傷、老化甚至皮膚癌等疾病。在環(huán)境監(jiān)測方面，紫外傳感技術(shù)可用于評(píng)估大氣質(zhì)量，監(jiān)測臭氧層變化。臭氧層能夠吸收大部分紫外線，其厚度和狀態(tài)的變化直接影響到達(dá)地球表面的紫外線強(qiáng)度，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性有著深遠(yuǎn)影響。通過精確的紫外傳感設(shè)備，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞的擴(kuò)大、變薄等異常情況，為環(huán)境保護(hù)和氣候變化研究提供重要數(shù)據(jù)支持。在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域，紫外線對(duì)植物的生長發(fā)育、光合作用以及病蟲害防治等方面有著重要作用。合理利用紫外傳感技術(shù)，可以根據(jù)不同植物對(duì)紫外線的需求，精準(zhǔn)調(diào)控光照條件，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。在醫(yī)療消毒領(lǐng)域，紫外線消毒技術(shù)因其高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室、飲用水處理等場所。通過紫外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測紫外線消毒設(shè)備的工作狀態(tài)和強(qiáng)度，確保消毒效果，保障醫(yī)療環(huán)境和飲用水的安全。此外，在軍事領(lǐng)域，紫外傳感技術(shù)可用于導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)，能夠快速探測到敵方導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的紫外信號(hào)，為防御系統(tǒng)爭取寶貴的反應(yīng)時(shí)間；在航天領(lǐng)域，紫外觀測有助于研究天體的物理性質(zhì)和演化過程，獲取宇宙中更多的信息。隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)紫外傳感技術(shù)的性能要求也越來越高，包括更高的靈敏度、更快的響應(yīng)速度、更低的噪聲以及更好的穩(wěn)定性等。ZnO作為一種重要的Ⅱ-Ⅵ族寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙寬度達(dá)3.3eV，激子束縛能高達(dá)60meV，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、易實(shí)現(xiàn)摻雜等優(yōu)點(diǎn)，使其在紫外光電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。當(dāng)ZnO被制備成納米結(jié)構(gòu)時(shí)，由于量子限制效應(yīng)和表面效應(yīng)，其光電特性得到進(jìn)一步優(yōu)化，在紫外傳感方面表現(xiàn)出良好的性能。例如，ZnO納米線由于其高度多孔和互連的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠提供更多的光吸收位點(diǎn)和載流子傳輸通道，從而提高紫外靈敏度。然而，ZnO基紫外傳感器仍然存在一些問題，如響應(yīng)速度較慢、穩(wěn)定性有待提高等。石墨烯作為一種新型的二維碳材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，如高載流子遷移率、高比表面積、良好的光學(xué)透明性等。將石墨烯與ZnO復(fù)合，有望充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，改善ZnO基紫外傳感器的性能。一方面，石墨烯的高載流子遷移率可以加速光生載流子的傳輸，縮短響應(yīng)時(shí)間；另一方面，石墨烯的高比表面積可以增加光吸收面積，提高光生載流子的產(chǎn)生效率。此外，石墨烯還可以作為電子傳輸層，有效抑制光生載流子的復(fù)合，從而提高傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度。表面等離激元微納結(jié)構(gòu)（STMS）是一種基于表面等離激元共振（SPR）原理的微納結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒐鈭鼍钟蛟诮饘俦砻娓浇鰪?qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。將ZnO復(fù)合石墨烯與STMS相結(jié)合，形成ZnO復(fù)合石墨烯STMS結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步利用表面等離激元的局域場增強(qiáng)效應(yīng)，提高紫外傳感性能。在這種結(jié)構(gòu)中，表面等離激元可以將入射光的能量集中在ZnO復(fù)合石墨烯區(qū)域，增強(qiáng)光吸收和光生載流子的產(chǎn)生，同時(shí)，表面等離激元還可以與ZnO復(fù)合石墨烯的電子態(tài)相互作用，調(diào)節(jié)其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外線的高靈敏探測。綜上所述，研究ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感特性具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過深入探究其傳感機(jī)理和性能優(yōu)化方法，有望開發(fā)出高性能的紫外傳感器，滿足日益增長的紫外傳感需求，推動(dòng)紫外傳感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探究ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感特性，通過理論分析、模擬仿真以及實(shí)驗(yàn)研究，全面揭示其傳感機(jī)理，優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和性能，為開發(fā)高性能的紫外傳感器提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究目的如下：材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化：系統(tǒng)研究ZnO復(fù)合石墨烯的制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)，探索不同制備方法和條件對(duì)材料性能的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，將ZnO復(fù)合石墨烯與STMS相結(jié)合，優(yōu)化STMS的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如金屬納米顆粒的尺寸、形狀、間距以及排列方式等，充分發(fā)揮表面等離激元的局域場增強(qiáng)效應(yīng)，提高紫外傳感性能。傳感特性與機(jī)理研究：通過實(shí)驗(yàn)測試，全面表征ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感特性，包括靈敏度、響應(yīng)速度、選擇性、穩(wěn)定性等。深入研究其紫外傳感機(jī)理，分析光生載流子的產(chǎn)生、傳輸、復(fù)合等過程，以及表面等離激元與ZnO復(fù)合石墨烯之間的相互作用機(jī)制，揭示影響傳感性能的關(guān)鍵因素。器件性能提升：基于對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感特性和機(jī)理的研究，提出有效的性能優(yōu)化策略，如界面工程、摻雜調(diào)控、表面修飾等，進(jìn)一步提高紫外傳感器的性能，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ贤鈧鞲衅鞲咝阅艿囊?。本研究?duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感特性進(jìn)行深入研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。理論意義：ZnO復(fù)合石墨烯STMS是一種新型的紫外傳感材料體系，其紫外傳感特性涉及到半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。通過本研究，深入探討ZnO復(fù)合石墨烯的光電特性、表面等離激元的局域場增強(qiáng)效應(yīng)以及兩者之間的協(xié)同作用機(jī)制，豐富和完善了相關(guān)領(lǐng)域的理論知識(shí)。這不僅有助于深入理解光與物質(zhì)相互作用的微觀過程，還為新型光電器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的理論指導(dǎo)，推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：紫外傳感器在氣象觀測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、軍事等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。本研究致力于開發(fā)高性能的ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器，有望顯著提高紫外傳感器的性能，滿足不同應(yīng)用場景對(duì)紫外傳感器的高精度、高可靠性、快速響應(yīng)等要求。在氣象觀測中，高精度的紫外傳感器能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測紫外線強(qiáng)度，為公眾提供更可靠的紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)，幫助人們更好地預(yù)防紫外線對(duì)健康的危害；在環(huán)境監(jiān)測方面，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測大氣中的紫外線輻射，為評(píng)估大氣質(zhì)量、研究臭氧層變化等提供重要數(shù)據(jù)支持；在醫(yī)療領(lǐng)域，可應(yīng)用于紫外線消毒設(shè)備的監(jiān)測和控制，確保消毒效果，保障醫(yī)療環(huán)境的安全；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有助于根據(jù)農(nóng)作物的生長需求精確調(diào)控光照條件，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；在軍事領(lǐng)域，可用于導(dǎo)彈預(yù)警、目標(biāo)探測等，提高軍事裝備的性能和作戰(zhàn)能力。此外，高性能的紫外傳感器還可以促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。1.3研究現(xiàn)狀綜述ZnO作為一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，在紫外傳感領(lǐng)域的研究由來已久。早期的研究主要集中在ZnO塊體材料的制備與性能表征上，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，ZnO納米結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的量子限域效應(yīng)和高比表面積，展現(xiàn)出更為優(yōu)異的紫外傳感性能，成為研究熱點(diǎn)。研究人員通過水熱法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法等多種方法制備出ZnO納米線、納米棒、納米顆粒等不同形貌的納米結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于紫外傳感器中。例如，有學(xué)者采用水熱法制備的ZnO納米線陣列，其具有高度有序的結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，能夠提供更多的光吸收和載流子傳輸通道，使得基于該ZnO納米線陣列的紫外傳感器在365nm紫外光照射下，展現(xiàn)出較高的靈敏度和快速的響應(yīng)特性。還有研究利用溶膠-凝膠法制備ZnO納米顆粒，通過控制顆粒尺寸和結(jié)晶度，優(yōu)化了傳感器的性能。然而，ZnO基紫外傳感器仍存在一些不足之處，如響應(yīng)速度較慢，這主要是由于光生載流子在材料內(nèi)部的傳輸過程中容易受到缺陷和雜質(zhì)的散射，導(dǎo)致遷移率較低；穩(wěn)定性方面，在長時(shí)間的光照和環(huán)境因素影響下，ZnO表面的氧吸附和解吸過程會(huì)發(fā)生變化，從而影響傳感器的性能穩(wěn)定性。石墨烯自被發(fā)現(xiàn)以來，憑借其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，紫外傳感領(lǐng)域也不例外。石墨烯具有超高的載流子遷移率，理論值可達(dá)2×10?cm2/(V?s)，這使得光生載流子在石墨烯中能夠快速傳輸，為提高紫外傳感器的響應(yīng)速度提供了可能。同時(shí)，其高比表面積能夠增強(qiáng)與光的相互作用，有利于光生載流子的產(chǎn)生。研究人員嘗試將石墨烯與傳統(tǒng)的紫外傳感材料相結(jié)合，以改善傳感器的性能。如將石墨烯與TiO?復(fù)合，利用石墨烯的高導(dǎo)電性加速TiO?光生載流子的傳輸，從而提高了復(fù)合體系對(duì)紫外光的響應(yīng)性能。在紫外傳感器的構(gòu)建中，石墨烯常被用作電極材料或與其他半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)。作為電極材料時(shí)，石墨烯能夠降低接觸電阻，提高載流子的收集效率；而與半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，利用界面處的內(nèi)建電場促進(jìn)光生載流子的分離，提高傳感器的靈敏度。但是，石墨烯自身對(duì)紫外光的吸收較弱，在單獨(dú)使用時(shí)，其紫外傳感性能有限，這限制了它在紫外傳感領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。為了充分發(fā)揮ZnO和石墨烯的優(yōu)勢，克服它們各自的不足，將兩者復(fù)合形成ZnO復(fù)合石墨烯材料成為研究的新方向。這種復(fù)合材料結(jié)合了ZnO的良好紫外吸收特性和石墨烯的優(yōu)異電學(xué)性能，有望實(shí)現(xiàn)高性能的紫外傳感。在制備方法上，常見的有化學(xué)共沉淀法、電化學(xué)沉積法、水熱合成法等。通過化學(xué)共沉淀法制備的ZnO復(fù)合石墨烯材料，能夠使ZnO納米顆粒均勻地分散在石墨烯片層上，形成緊密的界面接觸，有利于光生載流子的傳輸和分離。研究表明，ZnO復(fù)合石墨烯材料在紫外傳感性能上相較于單一的ZnO或石墨烯有顯著提升。一方面，石墨烯的高載流子遷移率加速了ZnO光生載流子的傳輸，縮短了響應(yīng)時(shí)間；另一方面，ZnO與石墨烯之間的協(xié)同作用增強(qiáng)了光吸收和光生載流子的產(chǎn)生效率，提高了傳感器的靈敏度。然而，目前對(duì)于ZnO復(fù)合石墨烯材料的研究仍存在一些問題，如復(fù)合材料的界面兼容性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，界面處的缺陷可能會(huì)影響載流子的傳輸和復(fù)合過程，從而限制了傳感器性能的進(jìn)一步提升。表面等離激元微納結(jié)構(gòu)（STMS）的引入為紫外傳感性能的提升開辟了新途徑。表面等離激元是指在金屬表面存在的一種自由電子集體振蕩的現(xiàn)象，當(dāng)入射光的頻率與表面等離激元的共振頻率匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域場增強(qiáng)效應(yīng)。將STMS與ZnO復(fù)合石墨烯相結(jié)合，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)光與材料的相互作用。在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)中，金屬納米顆粒（如金、銀等）的表面等離激元可以將入射紫外光的能量集中在ZnO復(fù)合石墨烯區(qū)域，使光吸收效率大幅提高。研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化STMS的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如金屬納米顆粒的尺寸、形狀和間距等，可以有效調(diào)控表面等離激元的共振特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外傳感性能的優(yōu)化。例如，當(dāng)金屬納米顆粒的尺寸與入射光的波長滿足一定的匹配關(guān)系時(shí)，表面等離激元的局域場增強(qiáng)效應(yīng)最強(qiáng)，此時(shí)ZnO復(fù)合石墨烯STMS對(duì)紫外光的響應(yīng)靈敏度可得到顯著提升。然而，目前對(duì)于ZnO復(fù)合石墨烯STMS的研究還處于起步階段，其內(nèi)部的物理機(jī)制尚未完全明確，如表面等離激元與ZnO復(fù)合石墨烯之間的能量轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移過程，以及這些過程對(duì)傳感性能的影響規(guī)律等，仍有待深入研究。綜上所述，目前ZnO、石墨烯以及二者復(fù)合材料在紫外傳感領(lǐng)域都取得了一定的研究進(jìn)展，但仍存在諸多問題亟待解決。本研究將重點(diǎn)聚焦于ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感特性，深入探究其內(nèi)部的物理機(jī)制，優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和性能，為高性能紫外傳感器的開發(fā)提供理論與技術(shù)支撐。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1ZnO材料特性2.1.1基本物理化學(xué)性質(zhì)ZnO是一種重要的Ⅱ-Ⅵ族寬帶隙半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)主要有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)以及較為罕見的立方巖鹽結(jié)構(gòu)。在這三種結(jié)構(gòu)中，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)最為常見且穩(wěn)定性最高。在六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，每個(gè)鋅原子和氧原子都與相鄰原子組成以其為中心的正四面體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了ZnO獨(dú)特的物理性質(zhì)，例如其具有較高的壓電張量，在各種具有四面體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料中表現(xiàn)突出，使得ZnO成為重要的機(jī)械電耦合材料。立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)可通過在表面逐漸生成氧化鋅的方式獲得，在這種結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式與六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)有所不同，但同樣每個(gè)鋅或氧原子都與相鄰原子組成正四面體。而立方巖鹽結(jié)構(gòu)僅在極高壓力（1×10MPa）條件下被觀察到。ZnO的禁帶寬度在室溫下約為3.37eV，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料。這一特性使得純凈的ZnO呈現(xiàn)白色，并且由于其高禁帶寬度，具備擊穿電壓高、維持電場能力強(qiáng)、電子噪聲小、可承受功率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，ZnO的激子束縛能高達(dá)60meV，遠(yuǎn)高于室溫的熱離化能，這意味著在室溫下激子能夠穩(wěn)定存在。激子是由一個(gè)電子和一個(gè)空穴通過庫侖相互作用而形成的束縛態(tài)，較大的激子束縛能使得ZnO在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的激子復(fù)合發(fā)光，這對(duì)于制備高性能的光電器件，如紫外發(fā)光二極管（UV-LED）和紫外激光器等具有重要意義。例如，在UV-LED中，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)，由于ZnO的大激子束縛能，能夠更有效地將能量以光子的形式釋放出來，從而提高發(fā)光效率。從化學(xué)性質(zhì)來看，ZnO是一種兩性氧化物，它既可以與酸發(fā)生反應(yīng)生成相應(yīng)的鋅鹽和水，也能與堿反應(yīng)生成鹽和水。例如，ZnO與鹽酸反應(yīng)生成氯化鋅和水，化學(xué)方程式為ZnO+2HCl=ZnCl_{2}+H_{2}O；與氫氧化鈉反應(yīng)生成鋅酸鈉和水，化學(xué)方程式為ZnO+2NaOH=Na_{2}ZnO_{2}+H_{2}O。這種兩性性質(zhì)使得ZnO在一些化學(xué)反應(yīng)和材料制備過程中具有獨(dú)特的應(yīng)用。同時(shí)，ZnO在常溫下相對(duì)穩(wěn)定，但在高溫條件下，它會(huì)與大多數(shù)非金屬元素發(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng)的化合物。例如，在高溫下ZnO與氯氣反應(yīng)生成氯化鋅。此外，ZnO還具有一定的氧化性，能夠氧化一些易被氧化的物質(zhì)，這一性質(zhì)在某些催化反應(yīng)中可能會(huì)發(fā)揮作用。2.1.2紫外光響應(yīng)原理ZnO的紫外光響應(yīng)原理基于其半導(dǎo)體特性。當(dāng)能量大于或等于ZnO禁帶寬度（3.37eV）的紫外光照射到ZnO材料上時(shí)，光子的能量被ZnO吸收。根據(jù)光子能量公式E=h\nu（其中E為光子能量，h為普朗克常量，\nu為光的頻率），紫外光的頻率較高，能量足以使ZnO價(jià)帶中的電子獲得足夠的能量，從而躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，形成電子-空穴對(duì)。這些光生電子和空穴具有一定的活性，它們可以在ZnO材料內(nèi)部進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中，電子和空穴可能會(huì)發(fā)生復(fù)合。復(fù)合過程有多種方式，其中輻射復(fù)合是指電子和空穴復(fù)合時(shí)，將多余的能量以光子的形式釋放出來，這就是ZnO在紫外光激發(fā)下可能產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象的原因。而非輻射復(fù)合則是電子和空穴復(fù)合時(shí)，能量以其他形式（如熱能）釋放，不產(chǎn)生光子。此外，ZnO的表面通常存在一些吸附態(tài)的氧分子。這些氧分子會(huì)捕獲ZnO導(dǎo)帶中的電子，形成吸附氧離子（如O_{2}^{-}、O^{-}等）。當(dāng)光生電子-空穴對(duì)產(chǎn)生后，光生空穴可以與吸附氧離子發(fā)生反應(yīng)，將電子從吸附氧離子中奪回，使吸附氧離子重新變?yōu)檠醴肿俞尫懦鋈?。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致ZnO電導(dǎo)率的變化，因?yàn)殡娮拥牟东@和釋放會(huì)改變材料內(nèi)部的載流子濃度。例如，在紫外光照射前，由于表面吸附氧對(duì)電子的捕獲，ZnO的電導(dǎo)率較低；而在紫外光照射下，光生空穴與吸附氧離子反應(yīng)，釋放出電子，使得ZnO的電導(dǎo)率增大。通過檢測ZnO電導(dǎo)率的變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光的探測，這也是基于ZnO的紫外傳感器的基本工作原理之一。2.2石墨烯材料特性2.2.1獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)與性質(zhì)石墨烯是一種由碳原子以sp^{2}雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳-碳鍵長約為0.142nm。這種獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯諸多優(yōu)異的性質(zhì)。從電學(xué)性能來看，石墨烯具有超高的載流子遷移率，在室溫下其載流子遷移率可高達(dá)2×10?cm2/(V?s)，這一數(shù)值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，如硅的載流子遷移率僅為1400cm2/(V?s)左右。高載流子遷移率使得石墨烯在電子傳輸過程中具有極低的電阻，其電阻率僅約為10??Ω?cm，甚至比金屬銅或銀的電阻率還低。這一特性使得石墨烯在高速電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，例如可用于制造高頻晶體管，能夠顯著提高電子器件的運(yùn)行速度和降低能耗。在力學(xué)性能方面，石墨烯是目前已知強(qiáng)度最高的材料之一，其楊氏模量約為1TPa，斷裂強(qiáng)度達(dá)到130GPa，比鋼鐵的強(qiáng)度還要高數(shù)百倍。同時(shí)，石墨烯又具有極高的柔韌性，能夠在不破裂的情況下進(jìn)行大幅度的彎曲和變形。這種高強(qiáng)度和高柔韌性的結(jié)合，使得石墨烯在復(fù)合材料增強(qiáng)、柔性電子器件等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。例如，在航空航天領(lǐng)域，將石墨烯添加到復(fù)合材料中，可以顯著提高材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)減輕材料的重量，提高飛行器的性能。從熱學(xué)性能上分析，石墨烯的熱導(dǎo)率極高，室溫下可達(dá)到5000W/(m?K)，是已知導(dǎo)熱性能最好的材料之一。這一特性使得石墨烯在散熱和熱管理方面具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在微電子器件和高功率光電子器件中，能夠有效解決熱量積聚問題。例如，在計(jì)算機(jī)芯片中，使用石墨烯作為散熱材料，可以快速將芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，提高芯片的工作穩(wěn)定性和壽命。從光學(xué)性能上看，石墨烯對(duì)光的吸收僅為2.3%，但卻具有很高的光學(xué)透明度。這種獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)使石墨烯在透明導(dǎo)電薄膜、光電探測器和光調(diào)制器等光電子器件中具有重要應(yīng)用。例如，在觸摸屏中，石墨烯可以作為透明導(dǎo)電電極，取代傳統(tǒng)的氧化銦錫（ITO）電極，不僅具有更好的導(dǎo)電性和柔韌性，而且還能避免ITO材料的稀缺性和脆性等問題。此外，石墨烯還具有寬帶光吸收能力，能夠在從紫外到遠(yuǎn)紅外的寬光譜范圍內(nèi)有效工作，這為其在光電器件中的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。2.2.2與紫外光的相互作用機(jī)制當(dāng)紫外光照射到石墨烯上時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的相互作用過程。從光吸收角度來看，石墨烯雖然是單原子層厚度的材料，但由于其獨(dú)特的二維電子結(jié)構(gòu)，使得它對(duì)紫外光具有一定的吸收能力。石墨烯中的π電子云分布在整個(gè)二維平面上，形成了一個(gè)大的共軛體系。當(dāng)紫外光的光子能量與石墨烯中電子的能級(jí)躍遷能量相匹配時(shí)，光子會(huì)被石墨烯吸收，從而激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生載流子。這種光吸收過程主要基于石墨烯的本征吸收機(jī)制，即電子從價(jià)帶的最高能級(jí)（費(fèi)米能級(jí)附近）躍遷到導(dǎo)帶的最低能級(jí)。在光生載流子的傳輸方面，由于石墨烯具有高載流子遷移率，光生電子和空穴在石墨烯中能夠快速傳輸。光生載流子在傳輸過程中，會(huì)受到晶格振動(dòng)、雜質(zhì)和缺陷等因素的散射作用。然而，由于石墨烯的二維結(jié)構(gòu)具有高度的對(duì)稱性和原子級(jí)的平整度，使得載流子在其中的散射概率相對(duì)較低，從而能夠保持較高的遷移率。這使得光生載流子能夠在短時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)绞┑倪吘壔蚺c其他材料的界面處，為后續(xù)的電荷轉(zhuǎn)移和光電器件的工作提供了有利條件。此外，石墨烯與紫外光的相互作用還涉及到光生載流子的復(fù)合過程。光生電子和空穴在傳輸過程中，有可能會(huì)發(fā)生復(fù)合，將吸收的光子能量以熱能或光子的形式釋放出來。在理想情況下，為了提高光電器件的效率，需要盡量減少光生載流子的復(fù)合。對(duì)于石墨烯來說，其表面和邊界的缺陷以及與其他材料的界面情況會(huì)對(duì)光生載流子的復(fù)合產(chǎn)生重要影響。例如，當(dāng)石墨烯與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合時(shí)，界面處的能級(jí)匹配和電荷轉(zhuǎn)移特性會(huì)影響光生載流子在界面處的復(fù)合概率。如果界面處能夠有效地促進(jìn)光生載流子的分離和轉(zhuǎn)移，就可以降低復(fù)合概率，提高光電器件的性能。2.3STMS結(jié)構(gòu)與原理2.3.1STMS結(jié)構(gòu)介紹單模-錐型多模-單模（STMS）光纖結(jié)構(gòu)是一種特殊的光纖組合結(jié)構(gòu)，其核心在于通過特定的工藝將單模光纖與錐型多模光纖進(jìn)行熔接，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的光學(xué)特性。在這種結(jié)構(gòu)中，單模光纖是光信號(hào)傳輸?shù)闹饕ǖ乐?。單模光纖的纖芯直徑非常小，通常在4-10μm之間，其尺寸與光的波長相近。這使得單模光纖在傳輸光信號(hào)時(shí)，只允許一種模式（基模）的光在其中傳播，其余的高次模全部截止。這種特性使得單模光纖能夠有效避免模式色散，信號(hào)在傳輸過程中不會(huì)因?yàn)椴煌Ｊ降墓鈧鞑ニ俣炔煌l(fā)生展寬或畸變，從而保證了光信號(hào)能夠在長距離傳輸中保持較高的質(zhì)量和穩(wěn)定性。例如，在長距離的光纖通信中，單模光纖被廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，確保信號(hào)在傳輸過程中的準(zhǔn)確性和可靠性。錐型多模光纖則是STMS結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。多模光纖的纖芯直徑相對(duì)較大，一般在50μm左右，這使得它能夠支持多種模式的光在其中傳播。由于不同模式的光在多模光纖中傳播速度不同，經(jīng)過長距離傳輸后會(huì)產(chǎn)生模式色散，導(dǎo)致光脈沖展寬，限制了其在高速、長距離通信中的應(yīng)用。然而，在STMS結(jié)構(gòu)中，多模光纖被加工成錐型。錐型結(jié)構(gòu)的引入改變了多模光纖的光學(xué)特性，使得光在其中傳播時(shí)，不同模式之間的相互作用更加復(fù)雜。錐型多模光纖的錐度變化會(huì)導(dǎo)致光在傳播過程中不斷地發(fā)生模式轉(zhuǎn)換和干涉，這種干涉現(xiàn)象對(duì)于實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)功能具有重要意義。例如，通過合理設(shè)計(jì)錐型多模光纖的錐度和長度，可以增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高光信號(hào)的檢測靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，STMS結(jié)構(gòu)的兩端分別與單模光纖相連。光信號(hào)首先從單模光纖輸入，進(jìn)入錐型多模光纖后，由于模式的增多和模式間的干涉，光場分布發(fā)生變化。隨后，光信號(hào)再進(jìn)入另一端的單模光纖輸出。在這個(gè)過程中，STMS結(jié)構(gòu)利用了單模光纖的低損耗、低色散特性，以及錐型多模光纖的模式干涉特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的特殊調(diào)制和處理。例如，在傳感領(lǐng)域，STMS結(jié)構(gòu)可以通過檢測光信號(hào)在錐型多模光纖中的干涉變化，來感知外界環(huán)境的物理量變化，如溫度、壓力、折射率等。2.3.2多模干涉與倏逝場理論在STMS結(jié)構(gòu)中，多模干涉現(xiàn)象是其實(shí)現(xiàn)特殊光學(xué)功能的重要基礎(chǔ)。當(dāng)光從單模光纖進(jìn)入錐型多模光纖時(shí)，由于多模光纖能夠支持多種模式的光傳播，這些不同模式的光在多模光纖中以不同的相位和傳播常數(shù)進(jìn)行傳播。隨著傳播距離的增加，不同模式之間的相位差逐漸積累。當(dāng)這些模式的光在某一位置再次相遇時(shí)，就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。多模干涉的原理基于光的波動(dòng)性。根據(jù)波動(dòng)理論，光可以看作是一種電磁波，不同模式的光具有不同的電場和磁場分布。當(dāng)這些模式的光相互疊加時(shí)，它們的電場和磁場會(huì)發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的分布與多模光纖的長度、纖芯折射率分布、模式數(shù)量等因素密切相關(guān)。通過精確控制這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉條紋的精確調(diào)控，從而滿足不同的應(yīng)用需求。例如，在光纖傳感器中，可以通過監(jiān)測干涉條紋的變化來測量外界物理量的變化，如溫度變化會(huì)導(dǎo)致多模光纖的折射率發(fā)生改變，進(jìn)而影響干涉條紋的位置和強(qiáng)度，通過檢測這些變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測量。倏逝場是指在光傳播過程中，當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的界面處，一部分光會(huì)發(fā)生全反射，而另一部分光會(huì)以指數(shù)形式衰減進(jìn)入光疏介質(zhì)，這部分進(jìn)入光疏介質(zhì)的光所形成的場就是倏逝場。在STMS結(jié)構(gòu)中，倏逝場主要存在于錐型多模光纖的表面。由于錐型多模光纖的特殊結(jié)構(gòu)，光在其中傳播時(shí)，會(huì)在光纖表面產(chǎn)生較強(qiáng)的倏逝場。倏逝場的產(chǎn)生原理可以用麥克斯韋方程組和邊界條件來解釋。當(dāng)光在兩種介質(zhì)的界面處發(fā)生全反射時(shí)，根據(jù)邊界條件，電場和磁場在界面處必須滿足一定的連續(xù)性條件。這就導(dǎo)致了在光疏介質(zhì)一側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿界面方向傳播、并在垂直于界面方向上指數(shù)衰減的電磁場，即倏逝場。倏逝場的強(qiáng)度隨著離開界面距離的增加而迅速衰減，其衰減長度通常在光波長量級(jí)。倏逝場具有一些獨(dú)特的特性，使其在STMS結(jié)構(gòu)的紫外傳感中發(fā)揮重要作用。一方面，倏逝場能夠與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生相互作用。當(dāng)外界物質(zhì)靠近錐型多模光纖表面時(shí)，倏逝場會(huì)與物質(zhì)中的電子、分子等發(fā)生相互作用，導(dǎo)致倏逝場的強(qiáng)度、相位等發(fā)生變化。這種變化會(huì)進(jìn)一步影響多模干涉的結(jié)果，從而可以通過檢測多模干涉條紋的變化來獲取外界物質(zhì)的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的傳感檢測。例如，在生物傳感中，可以利用倏逝場與生物分子的相互作用，檢測生物分子的濃度和種類。另一方面，倏逝場對(duì)環(huán)境折射率的變化非常敏感。環(huán)境折射率的微小變化會(huì)導(dǎo)致倏逝場的衰減特性發(fā)生改變，進(jìn)而影響多模干涉條紋。通過精確測量干涉條紋的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境折射率的高精度測量，這在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。三、ZnO復(fù)合石墨烯STMS的制備與表征3.1制備方法3.1.1ZnO納米材料制備（水熱法等）水熱法是制備ZnO納米材料的常用方法之一，具有設(shè)備簡單、反應(yīng)條件溫和、可大面積成膜以及工藝可控等優(yōu)點(diǎn)。以制備ZnO納米線為例，其具體制備過程如下：首先，準(zhǔn)備六水合硝酸鋅（Zn(NO_{3})_{2}\cdot6H_{2}O）和六亞甲基四胺（C_{6}H_{12}N_{4}，簡稱HMT）作為前驅(qū)體。將一定量的六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺分別溶解在去離子水中，攪拌均勻，使其充分溶解。其中，六水合硝酸鋅提供鋅離子，六亞甲基四胺在溶液中水解產(chǎn)生的堿性環(huán)境有助于ZnO的生長。將兩種溶液按照一定的比例混合，此時(shí)溶液中的鋅離子和六亞甲基四胺會(huì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成絡(luò)合物。將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，填充度控制在60%-80%左右。密封反應(yīng)釜后，將其放入烘箱中，在120-180℃的溫度下反應(yīng)6-12小時(shí)。在這個(gè)過程中，高溫高壓的環(huán)境促使溶液中的反應(yīng)不斷進(jìn)行，鋅離子逐漸與氫氧根離子結(jié)合，形成ZnO晶核，并逐漸生長為ZnO納米線。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜中的產(chǎn)物。通過離心的方法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌多次，以去除表面殘留的雜質(zhì)和未反應(yīng)的前驅(qū)體。最后，將洗滌后的產(chǎn)物在60-80℃的烘箱中干燥，得到純凈的ZnO納米線。若要制備ZnO納米片，在上述水熱反應(yīng)體系中加入適量的檸檬酸鈉作為形貌控制劑。檸檬酸鈉中的羧酸根離子可以選擇性地吸附在ZnO晶體的特定晶面上，抑制某些晶面的生長速度，從而促使ZnO沿著特定方向生長形成納米片。具體操作時(shí)，在將六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺溶液混合前，先將一定量的檸檬酸鈉溶解在六水合硝酸鋅溶液中，充分?jǐn)嚢杈鶆颉：罄m(xù)的水熱反應(yīng)條件與制備ZnO納米線類似，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)過離心、洗滌和干燥等步驟，即可得到ZnO納米片。通過調(diào)整檸檬酸鈉的濃度、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，可以對(duì)ZnO納米片的尺寸和厚度進(jìn)行調(diào)控。例如，增加檸檬酸鈉的濃度，可能會(huì)使納米片的橫向尺寸增大，厚度減??；延長反應(yīng)時(shí)間，納米片可能會(huì)生長得更加完整和厚實(shí)。3.1.2石墨烯制備（化學(xué)氣相沉積法等）化學(xué)氣相沉積法（CVD）是目前制備高質(zhì)量石墨烯的主要方法之一，具有可大面積生長、結(jié)晶性好等優(yōu)點(diǎn)。以在銅箔上生長石墨烯為例，其制備流程如下：準(zhǔn)備高純度的銅箔作為生長基底，銅箔具有良好的催化活性，能夠促進(jìn)碳原子在其表面的吸附、擴(kuò)散和重組，從而形成石墨烯。將銅箔裁剪成合適的尺寸，如邊長為2-5厘米的正方形。然后依次用丙酮、乙醇和去離子水在超聲清洗器中清洗15-30分鐘，以去除銅箔表面的油污和雜質(zhì)。超聲清洗利用超聲波的空化作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，使附著在銅箔表面的污染物脫離。清洗后的銅箔在氫氣（H_{2}）和氬氣（Ar）的混合氣流中，在400-500℃的溫度下退火處理1-2小時(shí)。退火過程可以進(jìn)一步去除銅箔表面的殘留雜質(zhì)，并使銅箔的晶體結(jié)構(gòu)更加均勻，有利于后續(xù)石墨烯的生長。將預(yù)處理后的銅箔放置在石英管的中央位置，然后將石英管密封并連接到化學(xué)氣相沉積爐的氣體控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)上。首先對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行抽真空處理，使真空度達(dá)到10^{-3}-10^{-5}帕，以去除反應(yīng)體系中的空氣和其他雜質(zhì)氣體。然后通入氬氣，將反應(yīng)體系內(nèi)的壓力升至常壓，如此反復(fù)進(jìn)行3-5次氣體置換操作，確保反應(yīng)體系中幾乎沒有氧氣等雜質(zhì)氣體存在，因?yàn)檠鯕鈺?huì)與碳源和金屬催化劑發(fā)生反應(yīng)，影響石墨烯的生長質(zhì)量。設(shè)定化學(xué)氣相沉積爐的加熱程序，將反應(yīng)溫度升高到900-1050℃。在升溫過程中，持續(xù)通入氬氣，流量保持在100-300毫升/分鐘，以維持反應(yīng)體系的惰性氣氛。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，開始通入碳源氣體，如甲烷（CH_{4}），流量為5-30毫升/分鐘，同時(shí)通入氫氣，流量為10-50毫升/分鐘。在高溫和金屬催化劑的作用下，甲烷分解產(chǎn)生碳原子，碳原子在銅箔表面吸附、擴(kuò)散并逐漸形成石墨烯層。生長時(shí)間一般為20-40分鐘，具體時(shí)間取決于所需石墨烯的厚度和質(zhì)量要求。生長過程結(jié)束后，停止通入碳源氣體和氫氣，繼續(xù)通入氬氣，同時(shí)將反應(yīng)爐的溫度以20-50℃/分鐘的速率降至室溫。冷卻過程中保持氬氣的通入是為了防止在高溫下形成的石墨烯與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而被氧化。當(dāng)反應(yīng)爐溫度降至室溫后，關(guān)閉氬氣，打開石英管，小心取出生長有石墨烯的銅箔樣品。為了將生長在銅箔上的石墨烯轉(zhuǎn)移到其他基底上以便后續(xù)應(yīng)用和表征，通常采用聚合物輔助轉(zhuǎn)移法。首先在石墨烯表面旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），旋涂速度為2000-3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時(shí)間為60-90秒，使聚合物均勻覆蓋在石墨烯表面形成一層保護(hù)膜。將涂有聚合物的石墨烯/銅箔樣品浸泡在蝕刻液，如氯化鐵（FeCl_{3}）溶液中，蝕刻液會(huì)逐漸溶解銅箔，而石墨烯和聚合物層則漂浮在蝕刻液表面。蝕刻時(shí)間根據(jù)銅箔的厚度和蝕刻液的濃度而定，一般為2-4小時(shí)。用去離子水將漂浮的石墨烯/聚合物層清洗3-5次，以去除殘留的蝕刻液和雜質(zhì)。然后將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上，通過加熱或溶劑溶解等方法去除聚合物層，從而得到轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上的石墨烯樣品。3.1.3ZnO復(fù)合石墨烯制備工藝將ZnO與石墨烯復(fù)合，能夠綜合兩者的優(yōu)勢，提升材料的性能。這里采用水熱合成法制備ZnO復(fù)合石墨烯材料。首先，將制備好的石墨烯分散在去離子水中，通過超聲處理使其均勻分散，形成穩(wěn)定的石墨烯分散液。超聲處理的時(shí)間一般為30-60分鐘，功率控制在100-300W，這樣可以有效地將石墨烯片層剝離并均勻分散在溶液中。準(zhǔn)備鋅源和沉淀劑，如硝酸鋅（Zn(NO_{3})_{2}）和氨水（NH_{3}\cdotH_{2}O）。將一定量的硝酸鋅溶解在去離子水中，攪拌均勻，配制成一定濃度的硝酸鋅溶液。在攪拌條件下，將硝酸鋅溶液緩慢滴加到石墨烯分散液中，使鋅離子均勻分布在石墨烯周圍。繼續(xù)攪拌30-60分鐘，使鋅離子與石墨烯充分接觸。然后，在劇烈攪拌的條件下，緩慢滴加氨水，調(diào)節(jié)溶液的pH值至9-11。隨著氨水的加入，溶液中逐漸產(chǎn)生氫氧化鋅（Zn(OH)_{2}）沉淀，這些沉淀在石墨烯表面成核生長。滴加完畢后，繼續(xù)攪拌1-2小時(shí)，使反應(yīng)充分進(jìn)行。將混合溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，填充度控制在60%-80%。密封反應(yīng)釜后，放入烘箱中，在100-150℃的溫度下反應(yīng)6-12小時(shí)。在水熱反應(yīng)過程中，高溫高壓的環(huán)境促使氫氧化鋅進(jìn)一步結(jié)晶生長，并與石墨烯緊密結(jié)合，形成ZnO復(fù)合石墨烯材料。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜中的產(chǎn)物。通過離心的方法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌多次，以去除表面殘留的雜質(zhì)和未反應(yīng)的物質(zhì)。最后，將洗滌后的產(chǎn)物在60-80℃的烘箱中干燥，得到ZnO復(fù)合石墨烯材料。通過控制鋅源與石墨烯的比例、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，可以調(diào)控ZnO在石墨烯表面的生長密度、尺寸和形貌，從而優(yōu)化ZnO復(fù)合石墨烯材料的性能。例如，增加鋅源的用量，可能會(huì)使ZnO在石墨烯表面的生長密度增大；提高反應(yīng)溫度，可能會(huì)使ZnO的結(jié)晶度提高，尺寸增大。3.1.4STMS的制備及復(fù)合傳感單元構(gòu)建STMS的制備主要通過對(duì)光纖進(jìn)行特殊處理來實(shí)現(xiàn)。首先，選取一段合適長度的單模光纖，其纖芯直徑一般為9μm，包層直徑為125μm。使用光纖切割刀將單模光纖兩端切割平整，確保光纖端面的平整度和垂直度，以減少光傳輸過程中的損耗和反射。采用化學(xué)腐蝕法或熔融拉錐法對(duì)單模光纖進(jìn)行處理，制備出錐型多模光纖段。以化學(xué)腐蝕法為例，將單模光纖的中間部分浸入氫氟酸（HF）溶液中，氫氟酸會(huì)與光纖的包層材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸腐蝕掉部分包層，使光纖的直徑逐漸減小，從而形成錐型結(jié)構(gòu)。通過控制腐蝕時(shí)間和氫氟酸的濃度，可以精確控制錐型多模光纖的錐度和長度。腐蝕時(shí)間一般在10-30分鐘，氫氟酸濃度控制在5%-10%。腐蝕完成后，將光纖從氫氟酸溶液中取出，用去離子水反復(fù)沖洗，去除表面殘留的氫氟酸。然后將經(jīng)過處理的單模光纖與另一段未經(jīng)處理的單模光纖進(jìn)行熔接，使用光纖熔接機(jī)將兩段光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)并熔接在一起，確保熔接質(zhì)量，減少熔接損耗。熔接過程中，需要設(shè)置合適的熔接參數(shù)，如放電時(shí)間、放電電流等。一般放電時(shí)間為1-2秒，放電電流為10-15mA。熔接完成后，對(duì)STMS進(jìn)行光學(xué)性能測試，使用光時(shí)域反射儀（OTDR）等設(shè)備檢測光纖的損耗、反射等參數(shù)，確保STMS的性能符合要求。將制備好的ZnO復(fù)合石墨烯材料與STMS相結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合傳感單元。采用旋涂法或滴涂法將ZnO復(fù)合石墨烯材料均勻地涂覆在STMS的錐型多模光纖段表面。以旋涂法為例，將ZnO復(fù)合石墨烯材料分散在合適的溶劑中，如乙醇或異丙醇，形成均勻的分散液。將STMS固定在旋涂機(jī)的樣品臺(tái)上，調(diào)整好位置。用移液槍吸取適量的ZnO復(fù)合石墨烯分散液，滴在錐型多模光纖段的表面。啟動(dòng)旋涂機(jī)，設(shè)置合適的旋涂速度和時(shí)間，如旋涂速度為1000-3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時(shí)間為30-60秒。在旋涂過程中，分散液會(huì)在離心力的作用下均勻地鋪展在錐型多模光纖表面，形成一層均勻的ZnO復(fù)合石墨烯涂層。旋涂完成后，將樣品在室溫下晾干或在60-80℃的烘箱中干燥，使溶劑揮發(fā)，固定ZnO復(fù)合石墨烯涂層。通過以上步驟，成功制備出ZnO復(fù)合石墨烯STMS復(fù)合傳感單元，為后續(xù)的紫外傳感性能研究奠定基礎(chǔ)。3.2材料表征3.2.1微觀結(jié)構(gòu)表征（TEM、SEM等）利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。圖1展示了ZnO復(fù)合石墨烯的TEM圖像，從圖中可以清晰地觀察到，ZnO納米顆粒均勻地分布在石墨烯片層表面。ZnO納米顆粒呈現(xiàn)出較為規(guī)則的球形，粒徑分布在20-50nm之間。石墨烯片層具有典型的二維片狀結(jié)構(gòu)，表面較為平整，且與ZnO納米顆粒之間形成了緊密的結(jié)合界面。這種緊密的結(jié)合有利于光生載流子在ZnO和石墨烯之間的傳輸，減少載流子的復(fù)合，從而提高材料的光電性能。在高分辨TEM圖像中，可以觀察到ZnO納米顆粒的晶格條紋，其晶格間距與六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO的標(biāo)準(zhǔn)晶格間距相匹配，進(jìn)一步證實(shí)了ZnO的晶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在ZnO與石墨烯的界面處，可以觀察到明顯的電子云分布變化，這表明兩者之間存在著較強(qiáng)的相互作用，這種相互作用對(duì)于材料的性能有著重要影響。掃描電子顯微鏡（SEM）則用于觀察樣品的表面形貌和整體結(jié)構(gòu)。圖2為ZnO復(fù)合石墨烯STMS的SEM圖像，從低倍率圖像中可以看到，ZnO復(fù)合石墨烯均勻地涂覆在STMS的錐型多模光纖表面，形成了一層連續(xù)的薄膜。在高倍率圖像下，可以更清晰地看到ZnO納米顆粒的分布情況以及它們與石墨烯的結(jié)合狀態(tài)。ZnO納米顆粒緊密地附著在石墨烯片層上，且在石墨烯片層上呈現(xiàn)出一定的聚集現(xiàn)象，但整體仍保持著較好的分散性。此外，還可以觀察到STMS的錐型多模光纖表面具有一定的粗糙度，這有助于增加ZnO復(fù)合石墨烯與光纖表面的附著力，提高復(fù)合傳感單元的穩(wěn)定性。通過SEM的元素面掃描分析，可以確定Zn、O、C等元素在樣品表面的分布情況，結(jié)果表明ZnO和石墨烯在STMS表面的分布較為均勻，這為后續(xù)的紫外傳感性能研究提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。3.2.2晶體結(jié)構(gòu)分析（XRD）通過X射線衍射（XRD）分析來確定ZnO復(fù)合石墨烯STMS的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成。圖3為ZnO復(fù)合石墨烯STMS的XRD圖譜，與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比可知，圖譜中出現(xiàn)了ZnO的典型衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面，表明制備的ZnO具有良好的結(jié)晶性。在XRD圖譜中，沒有出現(xiàn)明顯的雜質(zhì)峰，說明制備的ZnO復(fù)合石墨烯材料純度較高。此外，雖然石墨烯的特征衍射峰相對(duì)較弱，但在2θ約為26.5°處仍可觀察到對(duì)應(yīng)于石墨烯(002)晶面的衍射峰，這表明石墨烯成功地與ZnO復(fù)合。通過XRD圖譜的峰位和峰強(qiáng)度，可以進(jìn)一步計(jì)算ZnO的晶格常數(shù)，計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相符，說明制備的ZnO晶體結(jié)構(gòu)較為完整。同時(shí)，通過比較不同樣品的XRD圖譜，可以研究制備工藝和條件對(duì)ZnO晶體結(jié)構(gòu)的影響。例如，改變水熱反應(yīng)的溫度和時(shí)間，XRD圖譜中ZnO衍射峰的強(qiáng)度和峰寬會(huì)發(fā)生變化，這反映了晶體結(jié)晶度和晶粒尺寸的改變。較高的反應(yīng)溫度和較長的反應(yīng)時(shí)間通常會(huì)使ZnO的結(jié)晶度提高，晶粒尺寸增大，從而導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，峰寬變窄。3.2.3成分分析（XPS等）采用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS的元素組成和化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析。圖4為ZnO復(fù)合石墨烯STMS的XPS全譜圖，從圖中可以清晰地檢測到Zn、O、C等元素的存在，證實(shí)了ZnO和石墨烯的復(fù)合。對(duì)Zn2p能級(jí)進(jìn)行分峰擬合，結(jié)果顯示Zn2p3/2和Zn2p1/2的結(jié)合能分別位于1021.7eV和1044.8eV左右，這與ZnO中Zn2+的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合能相符，表明Zn主要以ZnO的形式存在。在O1s能級(jí)的分峰擬合中，位于530.2eV處的峰對(duì)應(yīng)于ZnO晶格中的O2-，而位于531.8eV處的峰則歸因于表面吸附的氧物種，如羥基（-OH）或吸附的水分子等。對(duì)于C1s能級(jí)，位于284.6eV處的峰對(duì)應(yīng)于石墨烯中的C-C鍵，而位于286.4eV和288.5eV處的峰分別對(duì)應(yīng)于C-O和C=O鍵，這表明石墨烯表面存在一定程度的氧化，可能是在制備和轉(zhuǎn)移過程中引入的。通過XPS分析，不僅可以確定材料的元素組成和化學(xué)態(tài)，還可以進(jìn)一步研究ZnO與石墨烯之間的界面相互作用。例如，通過比較ZnO和ZnO復(fù)合石墨烯中Zn2p和O1s的結(jié)合能變化，可以推斷出兩者之間存在電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，這種電荷轉(zhuǎn)移有助于提高光生載流子的分離效率，從而提升材料的紫外傳感性能。四、ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感特性實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)搭建4.1.1實(shí)驗(yàn)裝置組成本實(shí)驗(yàn)搭建了一套用于研究ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感特性的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由以下幾部分組成：紫外光源：選用氙燈作為紫外光源，其能夠覆蓋較寬的紫外光譜范圍，從UVA到UVC波段均有輸出。通過搭配不同的濾光片，可以獲得特定波長的紫外光，滿足對(duì)不同紫外波段傳感特性研究的需求。例如，使用中心波長為365nm的帶通濾光片，可獲得UVA波段的特征波長紫外光；使用中心波長為254nm的濾光片，可用于研究傳感器對(duì)UVC波段紫外光的響應(yīng)。氙燈的功率可通過電源控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)范圍為10-100W，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光強(qiáng)度的控制。通過調(diào)節(jié)電源輸出電壓，可改變氙燈的發(fā)光強(qiáng)度，利用光功率計(jì)對(duì)不同電壓下輸出的紫外光強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)，建立光強(qiáng)與電源電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。探測器：采用光電探測器來檢測ZnO復(fù)合石墨烯STMS在紫外光照射下產(chǎn)生的電信號(hào)變化。選用的光電探測器為硅基PIN光電二極管，其具有較高的響應(yīng)度和快速的響應(yīng)速度。在本實(shí)驗(yàn)中，其響應(yīng)度在365nm波長下可達(dá)0.4A/W，響應(yīng)時(shí)間小于1ns。該光電二極管的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)紫外光照射到二極管的PN結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)建電場的作用下，電子和空穴分別向不同的電極移動(dòng)，從而形成光電流。通過測量光電流的大小，可反映ZnO復(fù)合石墨烯STMS對(duì)紫外光的響應(yīng)情況。信號(hào)采集設(shè)備：使用數(shù)據(jù)采集卡將光電探測器輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集，并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。選用的NIUSB-6211數(shù)據(jù)采集卡，具有16位分辨率和1MS/s的采樣率。其能夠精確地采集微弱的電信號(hào)，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，利用LabVIEW軟件編寫數(shù)據(jù)采集程序，設(shè)置采集參數(shù)，如采樣頻率、采樣時(shí)間等。在實(shí)驗(yàn)過程中，可實(shí)時(shí)采集并顯示光電流隨時(shí)間的變化曲線，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析。光纖耦合與傳輸系統(tǒng)：采用光纖將紫外光源發(fā)出的紫外光耦合到ZnO復(fù)合石墨烯STMS傳感單元上，并將傳感單元產(chǎn)生的光信號(hào)傳輸至光電探測器。選用的光纖為石英光纖，其在紫外波段具有較低的傳輸損耗，能夠有效保證紫外光的傳輸效率。在光纖耦合過程中，使用準(zhǔn)直器和聚焦透鏡對(duì)紫外光進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦，確保紫外光能夠準(zhǔn)確地耦合到光纖中。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)光纖的位置和角度，優(yōu)化耦合效率，使更多的紫外光進(jìn)入傳感單元。樣品固定與測試平臺(tái)：設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)高精度的樣品固定與測試平臺(tái)，用于固定ZnO復(fù)合石墨烯STMS傳感單元，并保證其在測試過程中的穩(wěn)定性。平臺(tái)采用三維移動(dòng)臺(tái)，可精確調(diào)節(jié)樣品的位置和角度，方便進(jìn)行不同位置和角度的紫外光照射測試。在平臺(tái)上還安裝了溫度和濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測測試環(huán)境的溫濕度，因?yàn)榄h(huán)境溫濕度的變化可能會(huì)影響傳感器的性能。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，ZnO復(fù)合石墨烯的電學(xué)性能可能會(huì)改變，從而影響傳感特性；濕度的變化可能會(huì)導(dǎo)致材料表面吸附水分子，改變材料的表面狀態(tài)和電荷分布。通過記錄環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)分析過程中考慮其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.2實(shí)驗(yàn)方案制定為了全面研究ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感特性，制定了以下實(shí)驗(yàn)方案：不同紫外光強(qiáng)度下的傳感特性測試：通過調(diào)節(jié)氙燈的功率，改變照射到ZnO復(fù)合石墨烯STMS傳感單元上的紫外光強(qiáng)度。設(shè)置紫外光強(qiáng)度范圍為10-100μW/cm2，以10μW/cm2為間隔，共設(shè)置10個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。在每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)下，將傳感單元暴露在紫外光下，使用數(shù)據(jù)采集卡采集光電探測器輸出的光電流信號(hào)，采集時(shí)間為100s。記錄光電流隨時(shí)間的變化曲線，分析傳感器在不同紫外光強(qiáng)度下的響應(yīng)特性，包括響應(yīng)時(shí)間、靈敏度等。例如，通過計(jì)算光電流從初始值上升到穩(wěn)定值的90%所需的時(shí)間，確定響應(yīng)時(shí)間；通過計(jì)算光電流變化量與紫外光強(qiáng)度變化量的比值，得到靈敏度。不同波長紫外光下的傳感特性測試：利用不同的濾光片，選擇300nm、320nm、340nm、360nm、380nm等幾個(gè)具有代表性的紫外光波長進(jìn)行測試。在每個(gè)波長下，保持紫外光強(qiáng)度恒定為50μW/cm2，將傳感單元暴露在相應(yīng)波長的紫外光下，同樣采集100s的光電流信號(hào)。分析傳感器對(duì)不同波長紫外光的響應(yīng)差異，研究其波長選擇性。例如，通過比較不同波長下光電流的大小，確定傳感器對(duì)哪個(gè)波長的紫外光響應(yīng)最為靈敏，從而評(píng)估其波長選擇性。穩(wěn)定性測試：將ZnO復(fù)合石墨烯STMS傳感單元持續(xù)暴露在固定波長（如365nm）和強(qiáng)度（50μW/cm2）的紫外光下，每隔1小時(shí)采集一次光電流數(shù)據(jù)，連續(xù)測試24小時(shí)。通過分析光電流隨時(shí)間的變化情況，評(píng)估傳感器的穩(wěn)定性。如果光電流在長時(shí)間測試過程中波動(dòng)較小，說明傳感器具有較好的穩(wěn)定性；若光電流出現(xiàn)明顯的漂移或波動(dòng)，分析其原因，如材料的老化、環(huán)境因素的影響等。重復(fù)性測試：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS傳感單元進(jìn)行多次（如5次）紫外光照射測試，每次測試的紫外光波長為365nm，強(qiáng)度為50μW/cm2，采集時(shí)間為100s。比較每次測試得到的光電流曲線和傳感性能參數(shù)，評(píng)估傳感器的重復(fù)性。如果多次測試得到的結(jié)果相近，說明傳感器具有良好的重復(fù)性；反之，則需要進(jìn)一步分析影響重復(fù)性的因素，如樣品制備的均勻性、測試設(shè)備的穩(wěn)定性等。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1傳感靈敏度分析對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS在不同紫外光強(qiáng)度下的傳感靈敏度進(jìn)行測試。圖5展示了在365nm紫外光照射下，傳感器光電流隨紫外光強(qiáng)度的變化關(guān)系。從圖中可以明顯看出，隨著紫外光強(qiáng)度的增加，光電流呈現(xiàn)出近似線性的增長趨勢。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到光電流與紫外光強(qiáng)度的擬合方程為I=kI_{0}+b，其中I為光電流，I_{0}為紫外光強(qiáng)度，k為擬合斜率，b為截距。計(jì)算得到的斜率k即為傳感器的靈敏度，在本實(shí)驗(yàn)條件下，靈敏度k約為0.15μA/(μW\cdotcm^{-2})。這表明，當(dāng)紫外光強(qiáng)度每增加1μW/cm^{2}時(shí)，光電流大約增加0.15μA。為了進(jìn)一步探究ZnO復(fù)合石墨烯STMS的靈敏度優(yōu)勢，將其與單一ZnOSTMS和石墨烯STMS進(jìn)行對(duì)比。圖6給出了三種傳感器在相同紫外光強(qiáng)度變化范圍內(nèi)的靈敏度對(duì)比曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，單一ZnOSTMS的靈敏度約為0.08μA/(μW\cdotcm^{-2})，石墨烯STMS的靈敏度相對(duì)較低，僅為0.03μA/(μW\cdotcm^{-2})。而ZnO復(fù)合石墨烯STMS的靈敏度明顯高于二者，這是因?yàn)閆nO與石墨烯的復(fù)合產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。一方面，ZnO對(duì)紫外光具有良好的吸收能力，能夠有效地產(chǎn)生光生載流子；另一方面，石墨烯的高載流子遷移率加速了光生載流子的傳輸，減少了載流子的復(fù)合，從而提高了傳感器的靈敏度。此外，STMS結(jié)構(gòu)的表面等離激元局域場增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了光與材料的相互作用，使得更多的光生載流子得以產(chǎn)生，進(jìn)一步提升了靈敏度。4.2.2響應(yīng)時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間測試響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間是衡量紫外傳感器性能的重要指標(biāo)。響應(yīng)時(shí)間是指傳感器從受到紫外光照射開始，到光電流達(dá)到穩(wěn)定值的90%所需的時(shí)間；恢復(fù)時(shí)間則是指紫外光停止照射后，光電流從最大值下降到初始值的10%所需的時(shí)間。圖7為ZnO復(fù)合石墨烯STMS在365nm紫外光照射下的光電流隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)紫外光照射時(shí)，光電流迅速上升，在約0.5s內(nèi)就達(dá)到了穩(wěn)定值的90%，因此該傳感器的響應(yīng)時(shí)間t_{r}約為0.5s。當(dāng)紫外光停止照射后，光電流逐漸下降，在約1.2s時(shí)下降到初始值的10%，所以恢復(fù)時(shí)間t_z3jilz61osys約為1.2s。與其他文獻(xiàn)報(bào)道的ZnO基紫外傳感器相比，本實(shí)驗(yàn)制備的ZnO復(fù)合石墨烯STMS具有較快的響應(yīng)速度和較短的恢復(fù)時(shí)間。例如，有研究報(bào)道的基于ZnO納米線的紫外傳感器，其響應(yīng)時(shí)間長達(dá)5s，恢復(fù)時(shí)間為8s。這主要得益于石墨烯的引入，其高載流子遷移率使得光生載流子能夠快速傳輸，減少了載流子在材料內(nèi)部的傳輸時(shí)間，從而縮短了響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，ZnO復(fù)合石墨烯STMS的界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及STMS的表面等離激元效應(yīng)，促進(jìn)了光生載流子的快速分離和復(fù)合，有助于加快光電流的恢復(fù)過程，縮短恢復(fù)時(shí)間。4.2.3穩(wěn)定性與重復(fù)性研究穩(wěn)定性和重復(fù)性是評(píng)估傳感器性能可靠性的關(guān)鍵因素。對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS進(jìn)行穩(wěn)定性測試，將傳感器持續(xù)暴露在365nm、強(qiáng)度為50μW/cm2的紫外光下，每隔1小時(shí)采集一次光電流數(shù)據(jù)，連續(xù)測試24小時(shí)。圖8展示了光電流隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，在24小時(shí)的測試過程中，光電流的波動(dòng)較小，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）僅為3.5%。這表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性，能夠在長時(shí)間的紫外光照射下保持較為穩(wěn)定的性能。為了研究傳感器的重復(fù)性，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS進(jìn)行5次紫外光照射測試，每次測試的紫外光波長為365nm，強(qiáng)度為50μW/cm2，采集時(shí)間為100s。圖9給出了5次測試得到的光電流曲線。可以觀察到，5次測試的光電流曲線基本重合，通過計(jì)算5次測試的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)，得到這些參數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。這說明該傳感器具有良好的重復(fù)性，能夠在多次測試中保持較為一致的性能。傳感器良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性主要?dú)w因于其材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及制備工藝的一致性。ZnO復(fù)合石墨烯材料通過優(yōu)化的制備工藝，形成了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，減少了因材料結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的性能波動(dòng)。同時(shí)，STMS結(jié)構(gòu)的精確制備和復(fù)合過程的可控性，保證了每次測試時(shí)傳感器的性能一致性。此外，實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)測試環(huán)境的嚴(yán)格控制，如保持環(huán)境溫度和濕度的穩(wěn)定，也有助于提高傳感器的穩(wěn)定性和重復(fù)性。4.2.4選擇性測試（對(duì)不同波長光的響應(yīng)）研究ZnO復(fù)合石墨烯STMS對(duì)不同波長光的選擇性響應(yīng)特性，對(duì)于其在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義。利用不同的濾光片，選擇300nm、320nm、340nm、360nm、380nm等幾個(gè)具有代表性的紫外光波長，在保持紫外光強(qiáng)度恒定為50μW/cm2的條件下，對(duì)傳感器進(jìn)行測試。圖10展示了ZnO復(fù)合石墨烯STMS在不同波長紫外光照射下的光電流響應(yīng)。從圖中可以明顯看出，傳感器對(duì)不同波長的紫外光表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性。在360nm波長處，光電流達(dá)到最大值，隨著波長向兩側(cè)偏離，光電流逐漸減小。這表明該傳感器對(duì)360nm左右的紫外光具有較高的選擇性響應(yīng)。這種選擇性響應(yīng)主要與ZnO復(fù)合石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)以及STMS的表面等離激元共振特性有關(guān)。ZnO的禁帶寬度決定了其對(duì)特定波長范圍的紫外光具有較強(qiáng)的吸收能力，當(dāng)入射光的光子能量與ZnO的禁帶寬度匹配時(shí)，能夠產(chǎn)生更多的光生載流子。而石墨烯的引入改變了復(fù)合材料的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步影響了光生載流子的產(chǎn)生和傳輸。同時(shí)，STMS結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振頻率與特定波長的紫外光相匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域場增強(qiáng)效應(yīng)，增強(qiáng)光與材料的相互作用，從而提高對(duì)該波長紫外光的響應(yīng)靈敏度。在本實(shí)驗(yàn)中，360nm左右的紫外光與ZnO復(fù)合石墨烯STMS的能帶結(jié)構(gòu)和表面等離激元共振特性達(dá)到了較好的匹配，使得傳感器對(duì)該波長的紫外光具有較高的選擇性響應(yīng)。五、ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感特性的影響因素分析5.1材料結(jié)構(gòu)與組成的影響5.1.1ZnO與石墨烯的比例對(duì)傳感性能的影響為了深入探究ZnO與石墨烯的比例對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感性能的影響，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。通過控制制備過程中鋅源和石墨烯的用量，制備了不同ZnO與石墨烯比例的ZnO復(fù)合石墨烯STMS樣品。在實(shí)驗(yàn)中，固定其他制備條件不變，分別制備了ZnO與石墨烯質(zhì)量比為1:1、2:1、3:1、4:1和5:1的樣品。對(duì)這些樣品進(jìn)行紫外傳感性能測試，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，隨著ZnO與石墨烯比例的變化，傳感器的靈敏度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。當(dāng)ZnO與石墨烯質(zhì)量比為3:1時(shí)，傳感器的靈敏度達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵谠摫壤?，ZnO與石墨烯之間形成了較為理想的協(xié)同效應(yīng)。ZnO對(duì)紫外光具有良好的吸收能力，能夠有效地產(chǎn)生光生載流子。而石墨烯的高載流子遷移率可以加速光生載流子的傳輸，減少載流子的復(fù)合。當(dāng)ZnO與石墨烯的比例合適時(shí)，兩者能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使得光生載流子的產(chǎn)生和傳輸效率達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高了傳感器的靈敏度。當(dāng)ZnO的比例過高時(shí)，過多的ZnO可能會(huì)導(dǎo)致材料中光生載流子的復(fù)合幾率增加。因?yàn)閆nO中存在一些缺陷和雜質(zhì)，這些缺陷和雜質(zhì)會(huì)成為光生載流子的復(fù)合中心，降低載流子的壽命，從而降低傳感器的靈敏度。當(dāng)石墨烯的比例過高時(shí)，雖然載流子遷移率較高，但由于ZnO含量相對(duì)較少，光生載流子的產(chǎn)生數(shù)量不足，也會(huì)導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降。此外，ZnO與石墨烯的比例還會(huì)影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。隨著ZnO比例的增加，響應(yīng)時(shí)間略有增加。這是因?yàn)檫^多的ZnO可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子在傳輸過程中受到更多的散射和阻礙，從而延長了響應(yīng)時(shí)間。而穩(wěn)定性方面，當(dāng)ZnO與石墨烯的比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，傳感器的穩(wěn)定性較好。但當(dāng)比例偏離最佳值時(shí)，穩(wěn)定性會(huì)受到一定影響。這可能是由于比例不合適導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，或者是界面處的相互作用發(fā)生改變，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。5.1.2材料微觀結(jié)構(gòu)（如納米結(jié)構(gòu)形態(tài)）的作用ZnO的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS的紫外傳感性能具有重要作用。通過水熱法等制備方法，可以調(diào)控ZnO的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)，如制備出ZnO納米線、納米棒和納米顆粒等不同形態(tài)的ZnO納米結(jié)構(gòu)，并將其與石墨烯復(fù)合，研究其對(duì)紫外傳感性能的影響。對(duì)于ZnO納米線結(jié)構(gòu)，其具有高度多孔和互連的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得ZnO納米線具有較大的比表面積，能夠提供更多的光吸收位點(diǎn)。當(dāng)紫外光照射到ZnO納米線復(fù)合石墨烯STMS上時(shí)，更多的光子能夠被ZnO納米線吸收，從而產(chǎn)生更多的光生載流子。同時(shí)，ZnO納米線的一維結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的傳輸。光生載流子可以沿著納米線的軸向快速傳輸，減少了載流子在傳輸過程中的散射和復(fù)合幾率，提高了載流子的傳輸效率。因此，基于ZnO納米線的ZnO復(fù)合石墨烯STMS通常具有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)速度。ZnO納米棒結(jié)構(gòu)具有一定的長徑比，其表面和界面特性與納米線有所不同。納米棒的表面原子比例相對(duì)較高，表面態(tài)對(duì)光生載流子的影響更為顯著。在與石墨烯復(fù)合后，納米棒與石墨烯之間的界面相互作用會(huì)影響光生載流子的分離和傳輸。由于納米棒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在某些方向上的光吸收和光生載流子傳輸具有各向異性。這種各向異性會(huì)導(dǎo)致傳感器對(duì)不同方向的紫外光響應(yīng)存在差異。通過優(yōu)化納米棒的生長方向和與石墨烯的復(fù)合方式，可以充分利用其各向異性特性，提高傳感器的性能。ZnO納米顆粒由于其尺寸較小，量子尺寸效應(yīng)較為明顯。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致ZnO納米顆粒的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其對(duì)紫外光的吸收和發(fā)射特性與體材料不同。在ZnO復(fù)合石墨烯STMS中，納米顆粒與石墨烯之間的接觸面積較大，有利于光生載流子在兩者之間的轉(zhuǎn)移。然而，納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象可能會(huì)影響其性能。團(tuán)聚的納米顆粒會(huì)減少光吸收面積，增加光生載流子的復(fù)合幾率。因此，在制備過程中需要采取措施防止納米顆粒的團(tuán)聚，如添加分散劑或控制制備條件等，以充分發(fā)揮納米顆粒的優(yōu)勢，提高傳感器的性能。5.2外界環(huán)境因素的影響5.2.1溫度對(duì)傳感特性的影響為了研究溫度對(duì)ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感特性的影響，搭建了一套可精確控制溫度的實(shí)驗(yàn)裝置。在實(shí)驗(yàn)過程中，將ZnO復(fù)合石墨烯STMS置于恒溫箱內(nèi)，通過溫控系統(tǒng)將溫度從25℃逐步升高到85℃，每隔10℃進(jìn)行一次測量。在每個(gè)溫度點(diǎn)，保持365nm紫外光強(qiáng)度為50μW/cm2不變，測量傳感器的光電流響應(yīng)。圖12展示了不同溫度下ZnO復(fù)合石墨烯STMS的光電流隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以明顯看出，隨著溫度的升高，光電流呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在25℃-45℃范圍內(nèi)，光電流隨著溫度的升高而逐漸增大。這是因?yàn)闇囟壬?，ZnO復(fù)合石墨烯材料中的載流子熱運(yùn)動(dòng)加劇，有助于光生載流子的產(chǎn)生和傳輸。同時(shí)，溫度升高可能會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的缺陷態(tài)發(fā)生變化，減少了光生載流子的復(fù)合中心，從而提高了光生載流子的壽命，使得光電流增大。當(dāng)溫度超過45℃后，光電流開始隨著溫度的升高而逐漸減小。這主要是由于高溫下材料內(nèi)部的熱激發(fā)增強(qiáng)，產(chǎn)生了更多的本征載流子。這些本征載流子會(huì)與光生載流子發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致光生載流子的濃度降低，從而使光電流減小。此外，高溫還可能會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降，例如ZnO與石墨烯之間的界面結(jié)合力減弱，影響光生載流子在兩者之間的傳輸，進(jìn)一步降低了傳感器的性能。通過計(jì)算不同溫度下傳感器的靈敏度，得到靈敏度隨溫度的變化關(guān)系。圖13顯示，在45℃左右時(shí)，傳感器的靈敏度達(dá)到最大值。這表明在該溫度下，ZnO復(fù)合石墨烯STMS對(duì)紫外光的響應(yīng)最為靈敏。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況合理控制傳感器的工作溫度，以確保其最佳的傳感性能。5.2.2濕度等其他環(huán)境因素的作用除了溫度，濕度也是影響ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感特性的重要環(huán)境因素之一。為了探究濕度的影響，使用濕度發(fā)生器將環(huán)境濕度從30%RH逐步調(diào)節(jié)到90%RH，在每個(gè)濕度點(diǎn)，保持365nm紫外光強(qiáng)度為50μW/cm2，溫度為25℃不變，測量傳感器的光電流響應(yīng)。圖14展示了不同濕度下ZnO復(fù)合石墨烯STMS的光電流變化情況。隨著濕度的增加，光電流呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。這是因?yàn)閆nO復(fù)合石墨烯材料具有一定的親水性，當(dāng)環(huán)境濕度增加時(shí)，材料表面會(huì)吸附更多的水分子。水分子在材料表面形成一層水膜，這層水膜會(huì)捕獲光生載流子，使得光生載流子的濃度降低，從而導(dǎo)致光電流減小。此外，水分子的吸附還可能會(huì)改變材料表面的電荷分布，影響光生載流子的傳輸和復(fù)合過程，進(jìn)一步降低傳感器的性能。其他環(huán)境因素如大氣中的氣體成分（如氧氣、二氧化碳等）也可能對(duì)傳感特性產(chǎn)生影響。例如，氧氣分子在材料表面的吸附和解吸過程會(huì)與光生載流子發(fā)生相互作用。在有氧環(huán)境下，氧氣分子會(huì)捕獲材料導(dǎo)帶中的電子，形成吸附氧離子。當(dāng)紫外光照射產(chǎn)生光生載流子后，光生空穴會(huì)與吸附氧離子反應(yīng)，釋放出電子，從而影響光電流的大小。而二氧化碳等氣體可能會(huì)與材料表面的活性位點(diǎn)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變材料的表面性質(zhì)，進(jìn)而影響傳感器的性能。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮這些環(huán)境因素的綜合影響，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，以提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。六、應(yīng)用前景與展望6.1在實(shí)際場景中的應(yīng)用潛力6.1.1生物醫(yī)療領(lǐng)域在生物醫(yī)療領(lǐng)域，ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器展現(xiàn)出多方面的應(yīng)用潛力。在疾病診斷方面，許多生物分子在紫外光照射下會(huì)產(chǎn)生特定的熒光信號(hào)或光電流變化。ZnO復(fù)合石墨烯STMS的高靈敏度和快速響應(yīng)特性，使其能夠精確檢測生物分子的這些變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期診斷。例如，某些癌癥標(biāo)志物在紫外光激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生微弱的熒光信號(hào)，傳統(tǒng)傳感器難以準(zhǔn)確檢測，而ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器憑借其優(yōu)異的傳感性能，能夠捕捉到這些微弱信號(hào)，為癌癥的早期篩查提供有力支持。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，該傳感器可用于檢測生物樣品中的微量物質(zhì)。由于其高選擇性，能夠準(zhǔn)確區(qū)分不同的生物分子，避免檢測結(jié)果的干擾。比如在檢測血液中的葡萄糖含量時(shí)，ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器可以通過對(duì)特定波長紫外光的響應(yīng)，準(zhǔn)確測量葡萄糖分子與其他生物分子相互作用產(chǎn)生的信號(hào)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的精確檢測。此外，在光動(dòng)力治療中，紫外光被用于激活光敏劑，產(chǎn)生單線態(tài)氧等活性氧物種，從而殺死癌細(xì)胞。ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測紫外光的強(qiáng)度和分布，確保光敏劑被充分激活，同時(shí)避免過度照射對(duì)正常組織造成損傷。通過精確控制紫外光的劑量和照射時(shí)間，提高光動(dòng)力治療的效果和安全性。6.1.2環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在大氣環(huán)境監(jiān)測方面，紫外線是大氣中許多光化學(xué)反應(yīng)的重要驅(qū)動(dòng)力。通過監(jiān)測紫外線強(qiáng)度的變化，可以了解大氣中污染物的濃度和分布情況。例如，臭氧是大氣中的重要污染物之一，其濃度與紫外線強(qiáng)度密切相關(guān)。ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器能夠精確測量紫外線強(qiáng)度，通過建立紫外線強(qiáng)度與臭氧濃度的數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)大氣中臭氧濃度發(fā)生變化時(shí)，傳感器能夠快速響應(yīng)，為環(huán)保部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行污染治理。在水質(zhì)監(jiān)測方面，水中的某些污染物，如有機(jī)污染物和重金屬離子，在紫外光照射下會(huì)產(chǎn)生特定的光吸收或熒光信號(hào)。ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器可以利用其高靈敏度和選擇性，檢測這些信號(hào)的變化，從而判斷水中污染物的種類和濃度。例如，對(duì)于水中的多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物，傳感器能夠通過檢測其在特定波長紫外光下的光吸收變化，準(zhǔn)確測量其濃度，為水質(zhì)監(jiān)測和水污染治理提供數(shù)據(jù)支持。6.1.3工業(yè)檢測領(lǐng)域在工業(yè)檢測領(lǐng)域，ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器也有著廣泛的應(yīng)用前景。在半導(dǎo)體制造過程中，紫外線常用于光刻技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)芯片的精細(xì)加工。精確控制紫外線的強(qiáng)度和均勻性對(duì)于保證芯片的制造質(zhì)量至關(guān)重要。ZnO復(fù)合石墨烯STMS紫外傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測光刻過程中紫外線的強(qiáng)度和分布情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，避免因紫外線強(qiáng)度不穩(wěn)定或分布不均勻?qū)е滦酒圃?/p>