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第一篇：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目結(jié)題報告

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目

結(jié)題報告

項 目 編 號

201410704036 項 目 名 稱 校園微信公眾平臺設(shè)計與開發(fā) 項 目 類 型 項 目 級 別 項 目 負 責 人 結(jié) 題 日 期

創(chuàng)新訓練項目 國家級 胡月 2015.5.5

實驗室與設(shè)備管理處 制

一、選題背景、意義及創(chuàng)新性

微信公眾平臺是騰訊公司在微信的基礎(chǔ)上新增的功能模塊，通過這一平臺，個人和企業(yè)都可以打造一個微信的公眾號，可以群發(fā)文字、圖片、語音、視頻、圖文消息五個類別的內(nèi)容。目前微信公眾平臺支持PC端網(wǎng)頁、移動互聯(lián)網(wǎng)客戶端登錄，并可以綁定私人帳號進行群發(fā)信息。微信公眾平臺是一個自媒體平臺，它是微信系統(tǒng)的重要組成部分，微信整個板塊包含個人微信、二維碼、公眾平臺。隨著微信的不斷改進，越來越多的個人和企業(yè)看到了微信平臺優(yōu)勢，加入這個劃時代的全新手機聊天體驗之戰(zhàn)。騰訊微信利用開放平臺、語音信息等功能內(nèi)進行推送，創(chuàng)意執(zhí)行，可以直接在公眾平臺上打造品牌信息傳遞的生態(tài)鏈。從平臺功能來看，目前公眾平臺的主要功能包括多媒體信息大規(guī)模推送、定向推送（可按性別、地區(qū)、分組等指標定向推送），一對一互動，多樣化開發(fā)和智能回復等。

校園微信公眾平臺將是快速傳遞校園信息的又一新方式。校園微信公眾平臺的優(yōu)勢：大學生受眾的基數(shù)大。根據(jù)中國高等教育發(fā)展計劃最新統(tǒng)計，以每年1.3~1.6%的速度在擴招，2020年高校學生數(shù)量能達到5000萬。微信為新媒體，對大學生受眾有很強的吸引力，而且迎合了當代大學生的生活習慣。微信發(fā)送語音形式的消息，使得信息的傳遞更具人性化、更貼近生活。微信公眾平臺的開通，實現(xiàn)了信息一對多的傳播，而且互動性更強。 創(chuàng)新性：

與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)不同，校園微信公眾平臺的開發(fā)及享受與公眾平臺提供的開發(fā)接口，又限制于平臺所提供的接口。所以，微信的開發(fā)的重點主要是利用平臺所提供的接口完成功能，此外，在公眾平臺固有的基礎(chǔ)之上，引入了BuiduMap API與Web，極大的豐富了公眾平臺的內(nèi)容以及功能。

二、項目研究目標及工作方案

項目研究目標：

通過調(diào)用微信公眾平臺提供的接口，實現(xiàn)關(guān)注校園公眾賬號的微信用戶可以通過微信快速的接受到校園公眾賬號所發(fā)出的消息，以及能夠自主的通過校園公眾平臺實現(xiàn)如下功能：

1、新生報到

2、校園招聘

3、圖書查詢

4、校車查詢

5、校園二手市場

6、失物招領(lǐng)

7、自習室查詢

8、附近查找

9、臨潼天氣

10、差快遞

11、科大貼吧

讓用戶在移動客戶端通過校園微信公眾平臺能夠輕松、便捷的獲取到需要的信息。給學生提供便利，讓學校能夠更高的管理，更好的服務于校園是校園公眾平臺的根本目標，也是校園微信公眾平臺成立的出發(fā)點。 工作方案：

（一）、可行性分析

1、技術(shù)可行性

微信公眾平臺提供編輯與開發(fā)兩種模式，在開發(fā)模式的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)諸多功能。通過第三方開發(fā)平臺，可以將微信公眾平臺接入自定義接口，只需任意一種可以提供HTTP服務的后臺語言（如Java、PHP或Ruby等）即可接入，同時這些自定義接口也豐富了微信的功能。

我們的微信開發(fā)團隊的隊員是來自計算機科學與技術(shù)學院的學生，我們具有扎實的程序設(shè)計基礎(chǔ)和豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，可以通過API接入自己開發(fā)的或網(wǎng)上已有的移動應用或站點，為我們的校園微信公眾平臺提供跟多的功能和服務，豐富平臺的內(nèi)容。

2、經(jīng)濟可行性

本次校園微信公眾平臺的開發(fā)與運營的費用產(chǎn)生主要由SAE云服務器的使用所產(chǎn)生，相比較一般的項目則沒有服務器的配置、運維的費用，大大的降低了開發(fā)成本。此外，基于平臺的用戶量，平臺可以采用引入商業(yè)合作和搭建校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)購物平臺兩種形式獲取商業(yè)收益，實現(xiàn)其商業(yè)價值。

3、市場可行性

（二）、SWOT分析（又稱為態(tài)勢分析法）

1、優(yōu)勢

相比于其它網(wǎng)絡(luò)社交平臺，校園微信公眾平臺除具有公眾平臺自身的優(yōu)勢外，還具有以下優(yōu)勢： 1）用戶優(yōu)勢

平臺的目標用戶以使用微信的在校學生為主，在日常的調(diào)查當中幾乎所有的學生都會使用微信，因此，在學生群體集體中有利于平臺的推廣，可以迅速積累大量的用戶關(guān)注量；此外，校內(nèi)豐富的活動能夠為平臺推廣提供機會，提高平臺與用戶間的互動。 2）信譽優(yōu)勢

本平臺維護及信息的發(fā)布可以交給計算機學院的科技部與校黨委宣傳部共同完成，平臺內(nèi)所發(fā)布的信息都要經(jīng)過宣傳部的嚴格審核，能夠保證信息推送的質(zhì)量以及消息內(nèi)容的權(quán)威性與官方性，從而是平臺在用戶群體中樹立良好的信譽。此外，平臺還可以爭取騰訊公司官方認證，提升平臺的形象，進而提升學校的知名度。 3）團隊優(yōu)勢

2、劣勢

在校園微信公眾平臺正式上線以后就需要一個團隊才運營，而團隊的成員則是在校的學生，學生會不斷的進入團隊和退出團隊，畢業(yè)以后還會離開學校，團隊成員的流動性較高，會對平臺的運營穩(wěn)定性帶來一定的影響；微信公眾平臺是新興媒體，團隊成員沒有微信公眾平臺運營經(jīng)驗，因此要在摸索中前進，在平臺發(fā)展過程中將面臨很多未知的問題和挑戰(zhàn)。

3、機遇

在各種網(wǎng)絡(luò)社交平臺日益蓬勃發(fā)展的時代，微信憑借其獨特的平臺優(yōu)勢，成為大學生群體間交流學習的重要平臺。校園微信公眾平臺順應新媒體時代的發(fā)展趨勢，力求利用微信公眾平臺為西安科技大學師生提供權(quán)威的咨詢和全面的服務，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?

4、威脅

校園微信公眾平臺目標在于為所有用戶提供全面的信息與服務，因而一些信息和服務并不是所有用戶都需要的。其次，在學校內(nèi)存在提供針對性的微信公眾平臺，他們會對校園微信公眾平臺帶來沖擊。此外，一些商家或個人的微信公眾平臺也會對校內(nèi)的微信公眾平臺造成影響。

（三）、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（四）、詳細設(shè)計

1、界面設(shè)計

校園微信公眾平臺是基于微信公眾平臺上的二次開發(fā)，因此界面就只能局限于自定義菜單當中與消息Web頁面上的設(shè)計

①自定義菜單

在微信公眾平臺當中，微信提供的菜單課分為三個一級菜單，每個一級菜單下可以添加五個二級菜單。 根據(jù)平臺的內(nèi)容，將功能劃分到校園動態(tài)、校園有我、校園生活三個一級菜單當中，如圖

每個菜單都對應相應的消息回復或者URL鏈接 具體編碼如下：

②消息頁面

用戶在使用平臺的時，無非就兩種操作，發(fā)送消息（其中包括文字、圖片、視頻、位置）和菜單按鈕的單擊事件。在用戶向平臺發(fā)送消息請求的時候，在我們的服務器端會對請求做解析并進一步的進行判斷，進而再給用戶發(fā)送消息回復，回復的種類分兩種： 第一種：直接的文字回復。

第二種：平臺會跳轉(zhuǎn)到預先設(shè)定好的URL指向頁面當中。此時的頁面會直接在公眾平臺當中打開，因此需要契合移動客戶端就需要對頁面的布局、大小做好預先的處理，使之能夠在移動客戶端能夠正常的顯示。

2、數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在項目初期階段，在后臺服務器當中存儲的是空閑教室的信息，以便于能夠快速的查詢教室的信息。但是由于我們學校的自己是預約系統(tǒng)沒有正式的建立，不能夠正常的使用本項功能，在此我們只能使用一些模擬的數(shù)據(jù)來進行測試。

在數(shù)據(jù)庫當中需要存儲每個教學樓的教室，因此就需要教學樓的編號，教室的編號，節(jié)次的選定。

3、接口設(shè)計

此處接口是指我們在服務器端寫好的Servlet，在微信公眾平臺當中用戶給平臺發(fā)送消息的時候?qū)⑾⒎庋b成XML的格式請求Servle，然后經(jīng)過處理、運算會返回一系列的數(shù)據(jù)，并打包成XML的格式交給平臺，然后通過平臺的解析之后展示到用戶的界面當中。 ①、設(shè)置公眾平臺與服務器的對接接口

在配置公眾平臺的后臺服務器的時候會填寫URL與Token口令

通過在微信公眾平臺的接口配置頁面訪問我們寫好的驗證接口，即coreServlet，提交之后會將我們的部署在SAE上面的服務器作為公眾平臺的后臺服務器。 ②、消息響應接口

在將服務器與微信后臺對接之后，用戶發(fā)給平臺的信息將自動發(fā)送到我們服務器當中，因此，服務器當中必須要有一個消息響應的接口

（五）第三方引入

在開發(fā)過程當中每一個模塊都親自做一遍將會是一個很龐大的工作量，而且并不一定會取得到預想當中的效果，舉個例子來講：在平臺當中開發(fā)一個獨立的學生交流論壇，論壇的實現(xiàn)代碼量就不少，而且在百度上學校就已經(jīng)有了貼吧，兩者必然會沖突，因此在校園微信公眾平臺當中將貼吧、百度地圖等都引入了進來。不但減少了開發(fā)難度，而且現(xiàn)有的體系非常的完善、準確、功能強大，免去了維護的困難。 ①、百度地圖引入

在實現(xiàn)附近搜索功能的時候利用百度地圖的定位以及搜索功能實現(xiàn)附近搜索，效果如下

在給平臺發(fā)送地里位置之后給用戶發(fā)送如下消息：

通過回復功能編號就會使用百度搜索功能，如發(fā)送

點擊想要尋找的地方就會出現(xiàn)步行導航

02

②、貼吧引入

在公眾平臺當中引入西安科技大學貼吧，能夠是用戶快速的利用公眾平臺在貼吧當中操作，效果如圖：

三、項目研究過程中的難點及解決途徑，應用的關(guān)鍵技術(shù)

1、校園微信公眾平臺后臺服務器的搭建 微信后臺服務器的搭建需要一個平臺，只需任意一種可以提供HTTP服務的后臺語言（如Java、PHP或Ruby等）即可接入將微信公眾平臺，在此我們選擇將SAE作為我們的服務器搭建的平臺。 SAE只是一個平臺，能夠?qū)⑽覀兊拇a正常運行，并且能夠在外網(wǎng)訪問的到的平臺，相當于一個在網(wǎng)絡(luò)上搭建的Apache，我們想代碼部署上去之后，就能夠作為我們的后臺服務器運行。

2、開發(fā)語言 ①PHP 在前期的開發(fā)過程中，因PHP開發(fā)語言在Web開發(fā)領(lǐng)域能夠非?？焖俚膱?zhí)行動態(tài)網(wǎng)頁的能力以及其簡潔的優(yōu)勢，讓我們學則了PHP作為我們項目的主要開發(fā)語言。

但是在項目的中期，需要做數(shù)據(jù)的處理、交互，我們的團隊對PHP的掌握程度還不夠，因此這是我們遇到的第一個問題。有兩種解決方案，第一，繼續(xù)學習PHP語言；第二，放棄PHP使用其它的語言作為開發(fā)語言。第一種方法，我們沒有那么多的時間和精力在去繼續(xù)學習一門語言，因此只能選擇第二種方法，使用其它的語言作為我們的開發(fā)語言。 ②JAVA JAVA語言是一種可以撰寫跨平臺應用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性和安全性。并且在大學的課程安排當中是我們計算機學院學生的必修課，我們對JAVA就已經(jīng)有了相當?shù)幕A(chǔ)，因此我們重新選擇JAVA語言作為我們第二次選擇的開發(fā)語言。

因為我們對JAVA語言接觸的比較早，并且用它完成過不少項目，對JAVA的使用比較熟悉，所以項目從PHP轉(zhuǎn)到JAVA的時候也比較順利，并且后期的功能實現(xiàn)也更快更好的進行。

3、將傳統(tǒng)的Web頁面移植到移動客戶端

校園微信公眾平臺是基于微信公眾平臺，因此平臺的開發(fā)

就有很大的局限性。對平臺的開發(fā)無非就只有三種，第一種利 用微信公眾平臺所提供的接口進行整合、開發(fā)；第二種，進行 交互式的消息回復；第三種，Web拓展。

在微信公眾平臺的自定義菜單有click和view兩種選擇，click是進行消息回復，而view則是可以連接到指定的url地址當中去，因此對微信的開發(fā)也有Web開發(fā)的成分在里面。 在我們構(gòu)建的Web時候發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的PC端的開發(fā)有很大的不同，如果直接將PC端的Web頁面移植到移動客戶端會出現(xiàn)各種問題，比如網(wǎng)頁的大小不合適，不能夠完整的顯示，這樣用戶體驗度就會下降很多，因此對Web頁面做處理之后再顯示在平臺當中就顯得尤為重要。

四、指導教師對項目成果的推廣應用價值及存在問題總結(jié)

該項目是基于微信公眾平臺的面向校園群體的開發(fā)，由公眾賬號和服務器后臺系統(tǒng)組成，平臺的后臺服務器是搭建在SAE云服務器當中的，減少了開發(fā)成本和運維的難度。在微信公眾平臺的基礎(chǔ)之上引入了百度地圖的api能夠準確的定位到用戶的具體坐標，此外還增加了用戶自定義菜單，豐富了平臺的內(nèi)容。附近查找的導航是基于百度地圖連接后的算法處理實現(xiàn)的，使用算法簡化了路徑最短規(guī)劃的方法，是導航更佳的簡單可行，導航路線也是基于多圖層設(shè)計。在消息回復當中添加了圖書查找功能，結(jié)合了西安科技大學圖書管的檢索功能，能夠在平臺當中清晰的展示出圖書館的圖書借閱情況及館藏。

項目在操作過程中有很多的困難，但學生積極學習，迎難而上，在平臺的顯示和后天服務器方面都做得相當好，實現(xiàn)了預期的一些功能，校園微信公眾平臺的信息與后臺服務器數(shù)據(jù)交互完成的可以，在平臺當中圖書查找、附近搜索和校園招聘指南都有一些預期的成果，附近搜索的處理，引入了百度地圖的索引等方面的完成有很好的創(chuàng)新性。在開發(fā)結(jié)束基礎(chǔ)上，雖然各方面的功能都可以實現(xiàn)，但仍有很多不足之處，例如校園招聘，只是將一些就業(yè)信息籠統(tǒng)的整合到了一起，是學生對網(wǎng)絡(luò)知識了解的不夠深刻導致的，這方面未能達到最好的效果；。在自定義菜單中，界面的顯示有一些不夠合理，導航路徑的規(guī)劃細化不能夠?qū)崿F(xiàn)實時導航，只能不斷的請求服務器發(fā)送導航信息；圖書檢索所提供的信息未能達到預期的完美效果，雖然實現(xiàn)了該功能，但這一部分應該再細化再完善，這樣才能發(fā)揮最大的作用；在平臺中有一些多余成分，像查詢天氣、查快遞在使用中的意義不大，希望能進行進一步的完善。

項目在結(jié)束時存在的問題已經(jīng)羅列出來，后期的研究方向主要就是進一步細化這些功能，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上完善現(xiàn)有的功能，并且設(shè)計出實用的功能，試校園微信公眾平臺更好的為學校和學生提供服務和便利。

五、成果總結(jié)及佐證材料

本平臺是基于微信公眾平臺的開發(fā)，在SAE上部署后臺服務器和數(shù)據(jù)庫，作為我們的數(shù)據(jù)支持。平臺的功能包括：新生入學指導，校園招聘信息展示、圖書查詢、校園二手市場、失物招領(lǐng)、自習室查詢、附近搜索等功能。

● 校園微信公眾平臺公軟件一套。

● 校園微信公眾平臺，軟件著作權(quán)正在申請當中。 ● 校園微信公眾平臺軟件使用說明書。

六、參考文獻

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[12] 題名/責任者:微信營銷揭秘:戰(zhàn)略認知+運營策略+效果評估+行業(yè)案例/羅時遷著出版發(fā)行項: 北京:人民郵電出版社,2014 [13] 題名/責任者:微信公眾平臺應用開發(fā)實戰(zhàn)/鐘志勇, 何威俊, 馮煜博著版本說明:第2版 出版發(fā)行項:北京:機械工業(yè)出版社,2014 [14] 題名/責任者:微信的秘密:智能手機時代的新營銷寶典/蘇高編著 出版發(fā)行項:北京:清華大學出版社,2014 [15] 題名/責任者:微信公眾平臺服務號開發(fā):揭秘九大高級接口/易偉著 出版發(fā)行項:北京:機械工業(yè)出版社,2014 [16] 題名/責任者:微信終極秘籍:精通公眾號商業(yè)運營/青龍老賊 ... [等] 著出版發(fā)行項:北京:電子工業(yè)出版社,2014 [17]題名/責任者:微信來了/朱艷婷, 丁當著 出版發(fā)行項:北京:北京理工大學出版社,2014 [19] 題名/責任者:微信公眾平臺開發(fā)最佳實踐/方倍工作室著 出版發(fā)行項:北京:機械工業(yè)出版社,2014 [20]宋哲. 微信公眾平臺在大學內(nèi)部管理中的應用研究[J]. 知識經(jīng)濟. 2014(21)

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第二篇：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告

一種集成式自供電納米化學傳感器的設(shè)計和制作

項目成員：何旺球（1426410514） 王鵬云1426410408 陶俊賢1326410232 黃家儀1326410116 指導教師：祝元坤 摘要：

本項目以石墨烯作為基本功能單元，設(shè)計并制備一種新型的集成式化學分子驅(qū)動自供電傳感器件；超薄二維納米材料（石墨烯）作為基本功能單元制備新一代的自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。石墨烯部分被聚合物薄膜所覆蓋且另一部分暴露，當器件接觸極性分子時，可以產(chǎn)生明顯的電信號。因此，本項目的研究具有一定應用前景和重要學術(shù)價值。該類自供電傳感器件可能應用于生產(chǎn)微型納米傳感器，具有自主創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)。

1引言

近年來，隨著納米材料及納米科學技術(shù)研究的不斷深入，各種微納電子器件不斷被研究開發(fā)，并在軍事、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域展現(xiàn)出十分誘人的應用前景[1]。微納電子器件不僅尺寸小，而且具有功耗低、速度快、易于大規(guī)模集成、可移動等特點，但微納電子器件需要有微尺度電源系統(tǒng)來供給電能，來維持正常工作。隨著電子產(chǎn)品小型化，亟待開發(fā)即能為之提供能量并且小、輕、具有柔性的自供電傳感器件。如果微電源器件能夠持續(xù)收集環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換為電能，將會永久性解決電池耗盡的問題。因此，開發(fā)具有能量轉(zhuǎn)換功能的微電源，并與傳感器等器件集成構(gòu)建自供電系統(tǒng)，是非常迫切的?？纱┐?、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將推動微納電子器件市場的迅速發(fā)展，牽引微電源產(chǎn)品的技術(shù)變革和不斷創(chuàng)新。

微納自供電器件是當今的研究熱點，目前的研究集中在以下幾點：1）不斷提高能量轉(zhuǎn)換效率。如何在減小尺寸的同時保持高的能量轉(zhuǎn)換效率，需要新材料和新工藝。2）具有柔韌性。未來可穿戴、可移植等器件的發(fā)展需要柔性的器件與之配套。3）易于集成。為滿足自供電、自供能驅(qū)動等系統(tǒng)的需求，微電源器件應易于和傳感器等進行集成。4）可從環(huán)境中持續(xù)捕獲能量。微電源器件不僅要有能量存儲功能，還要能持續(xù)將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能。自然界不缺能源，

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目結(jié)題報告

關(guān)鍵在于如何將能量有效收集并轉(zhuǎn)換為電能，這需要不斷開發(fā)新型的自供電傳感器件，將環(huán)境中潛在的光能、生物能、熱能、振動能、電磁能等能量源轉(zhuǎn)換為電能。

微納自供電傳感器件的國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀：哈佛大學C.M.Lieber教授采用Ge/Si核殼納米陣列制作了太陽能電池[2]。美國佐治亞理工學院Z.L.Wang教授在2006年提出了納米發(fā)電機的概念，利用ZnO納米線的壓電效應實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，并在之后的研究中發(fā)展了壓電電子學的概念[3]。最近，他們在單個原子厚度的二硫化鉬內(nèi)觀察到了壓電效應，并研制出全球最纖薄的發(fā)電機兼力學感知設(shè)備，其不僅透明輕質(zhì)且可彎曲和拉伸[4]。復旦大學的彭慧勝教授成功制備出可拉伸的線狀超級電容器，為可穿戴智能設(shè)備中電能的供應提供了一個解決思路[5]。上海交通大學利用非硅微加工技術(shù)制備了基于MEMS的壓電發(fā)電機并表征了其俘能效果。中國科學院蘇州納米所在新型柔性可穿戴仿生觸覺傳感器即人造仿生電子皮膚方面做了系列工作[6]。南京航空航天大學郭萬林教授首次實現(xiàn)石墨烯表面拖動海水液滴發(fā)電, 并揭示了其中的物理機制，為石墨烯在能源領(lǐng)域的應用開辟了新方向[7]。中科院沈陽金屬所設(shè)計并制備出基于碳納米管/石墨烯的柔性能量存儲與轉(zhuǎn)換器件，并發(fā)現(xiàn)其具有循環(huán)穩(wěn)定性好、可快速充放電、可彎折等優(yōu)異性能[8]。北京大學和大連化物所在石墨烯PN結(jié)的調(diào)控調(diào)制摻雜生長與光電轉(zhuǎn)換器件研究中進行了前沿性探索[9]。

在之前的研究工作中，我們團隊提出一種可將環(huán)境中的化學能轉(zhuǎn)換為電能的新型器件——分子驅(qū)動自供電傳感器件，當器件所處環(huán)境中化學分子狀態(tài)發(fā)生變化時可觸發(fā)電信號，從而實現(xiàn)電能的捕獲。當極性化學分子接觸部分覆蓋的ZnO納米線時，ZnO覆蓋端和暴露端由于功函數(shù)不同而產(chǎn)生內(nèi)部電勢差[10]。利用這一原理可制成自供電的酒精檢測儀，也可檢測不同濃度、不同類別的有機化學試劑[11-14]，當人吸氣-呼氣循環(huán)作用于器件時，如圖1所示，在無任何外接電源的情況下，器件可產(chǎn)生 2-8 nA 的脈沖電流信號，交換電極可獲得相反方向的電流信號，這意味著電流信號非測試系統(tǒng)誤差或電阻變化引起的。器件能將人體連續(xù)的吸氣-呼氣轉(zhuǎn)換為電信號，這意味著人呼吸也可以發(fā)電，無疑是令人振奮的。以化學分子驅(qū)動器件產(chǎn)生電能是繼光電、熱電、壓電效應之后的一種全新的器件設(shè)計理念，包含豐富的物理內(nèi)涵；基于這種理念構(gòu)建的器件未來在物聯(lián)網(wǎng)傳感器、 2

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可穿戴器件、生物醫(yī)療器件等領(lǐng)域的自供電檢測/自驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)建等方面有巨大的應用前景。

圖1 吸氣-呼氣循環(huán)作用于ZnO陣列自供電傳感器件所產(chǎn)生的電信號 超薄二維納米材料，如石墨烯等，因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應用前景[15]。石墨烯的費米能級可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控?；谶@一點，我們提出利用超薄二維納米材料（石墨烯）作為基本功能單元制備新一代的自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。前期的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆蓋，部分暴露，當器件的暴露部分接觸乙醇分子時，可以產(chǎn)生35 nA左右的電信號[16-18]。初步的研究結(jié)果表明石墨烯作為基本功能單元制備自供電化學傳感器件是可行的。本申請項目提出以石墨烯作為功能單元制備自供電化學傳感器件，有望獲得高轉(zhuǎn)換效率、超小尺寸、穩(wěn)定的微電源器件，為自供電式微納器件設(shè)計及性能優(yōu)化打下基礎(chǔ)。理論和實驗結(jié)果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控前期研究工作從實驗上證明了利用半導體功函數(shù)調(diào)控實現(xiàn)能量捕獲的可行性，但是，器件要取得實際應用，必須要有高的能量轉(zhuǎn)換效率，且能實現(xiàn)持續(xù)電能轉(zhuǎn)換，這就需要對器件性能影響因素及器件工作機制進行深入研究[19]。除此之外，ZnO材料化學穩(wěn)定性差也是器件實用化的重要瓶頸。因此，有必要尋找新的替代材料實現(xiàn)類似能量轉(zhuǎn)換功能。在本項目中，我們將在之前研究的基礎(chǔ)上，進一步深化器件工作機制的研究，推進分子驅(qū)動自供電傳感器件的實用化。石墨烯作為器件功能單元的可行性與優(yōu)

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勢：近十年來，石墨烯因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應用前景[20-23]。理論和實驗結(jié)果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控[24]?；谶@一點，在本項目中，我們提出利用石墨烯作為基本功能單元制備新一代的分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換及自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。在前期的研究中，我們利用石墨烯制備成器件，石墨烯部分被聚合物薄膜所覆蓋，部分暴露。當工作端接觸乙醇分子時，工作端工作函數(shù)發(fā)生變化，而密封端工作函數(shù)仍保持不變；由于同一種材料費米能級必須處于同一水平，由于載流子的遷移，器件兩端產(chǎn)生接觸電勢差[25]。實驗結(jié)果表明，乙醇液滴可使器件可產(chǎn)生35 nA 左右的電信號，這表明石墨烯作為基本功能單元制備分子驅(qū)動自供電傳感器件是可行的。以石墨烯制備器件具有以下優(yōu)勢：首先，二維石墨烯具有大的比表面積，對化學分子有更高的敏感性，更容易進行表面電勢的調(diào)節(jié)；其次，石墨烯具有良好的機械性質(zhì)，可以做成柔性器件；再次，石墨烯的電子輸運性質(zhì)和功函數(shù)可在很大范圍內(nèi)調(diào)控，表面改性、應力、化學環(huán)境等都可以使石墨烯功函數(shù)發(fā)生變化。綜合這些優(yōu)勢和前期研究結(jié)果，我們認為，以石墨烯作為功能單元制備分子驅(qū)動自供電傳感器件，有望獲得高轉(zhuǎn)換效率、超小尺寸、柔性、穩(wěn)定的微電源器件，滿足實際需求[26-27]。

2 實驗部分

2.1 實驗藥品及氣體

固體材料：超薄二維納米材料（石墨烯）

所用極性有機液體：無水乙醇、異丙醇、丙酮、二氯甲烷、吡啶、二甲基甲酰胺主要測試光照：黑暗、日光燈、紫外燈（365nm）

2. 2 實驗設(shè)備及儀器

本實驗所用到的設(shè)備儀器： 2.2.1半導體參數(shù)分析儀

半導體參數(shù)分析儀是一個模塊化、可定制、高度一體化的參數(shù)分析儀，可同時進行電流-電壓 (I-V)、電容-電壓 (C-V) 和超快脈沖 I-V 電學測試。使用其可

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選的 多通道開關(guān)模塊，可輕松地在 I-V 和 C-V 測量之間切換，而無需重新布線或抬起探針。半導體參數(shù)分析儀是最高性能的分析儀，可加快用于材料研究、半導體器件設(shè)計、工藝開發(fā)或生產(chǎn)的復雜器件的測試。使用時，先將器件連接在參數(shù)分析儀上，打開電源和電腦上的系統(tǒng)。設(shè)置程序，測試器件的伏安特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線，探究器件的遷移率、載流子濃度等基本的電學性能和半導體材料的電流電壓隨時間的變化曲線。

圖2 （a）半導體探針臺和（b）半導體參數(shù)分析儀

2.2.2X射線衍射儀(XRD) X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)，其工作原理是根據(jù)布拉格方程2dsinθ＝nλ，圖3所示，實驗儀器根據(jù)接收的θ角度變化信息及其強度分布信息可以得到晶體的點陣平面間距和原子排布信息，分析晶體的點陣平面間距和原子排布信息便能獲得材料成分和內(nèi)部原子(分子) 結(jié)構(gòu)等信息。

圖3 布拉格衍射示意圖

本論文中采用的XRD型號為D8-ADVANCE，由德國Bruker-AXS公司生產(chǎn)，如圖4所示。衍射實驗使用的測量電壓和電流分別為40kV、30 mA，實驗中的衍射X射線為Cu-Kα射線，射線波長為0.1541 nm。

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圖4 D8-ADVANCE型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀

2.2.3掃描電子顯微鏡(SEM)

掃描電子顯微鏡可以方便的得到所制備材料的形貌特征及結(jié)構(gòu)特征，是材料研究的關(guān)鍵。在使用過程中，其利用多種信號轉(zhuǎn)換，得到經(jīng)電子束激發(fā)相應材料表面產(chǎn)生次級電子信號，利用這種電子信號來完成對材料的形貌的表征形成我們所看到的圖像特征。對導電性較差的樣品，為避免觀測樣品表面時，因積累電荷從而影響觀測，通常需要噴涂一層重金屬薄膜。

本論文采用美國FEI公司生產(chǎn)的QuantaFEG450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)對樣品進行表面形貌和結(jié)構(gòu)的表征，主要測試參數(shù)為：電子槍和樣品的距離10 mm，加速電壓為30 kV，電流為10μA。

2.2.4石墨烯等二維超薄結(jié)構(gòu)納米功能材料的制備

近十年來，石墨烯因其獨特的物理化學特性成為材料界最為活躍的研究主題，在能量轉(zhuǎn)換與存儲、柔性透明顯示、復合材料、傳感器、集成電路等領(lǐng)域表現(xiàn)出十分誘人的應用前景。理論和實驗結(jié)果表明，石墨烯的功函數(shù)可以通過原子分子摻雜和氣體分子的吸附進行有效調(diào)控?；谶@一點，在本項目中，我們提出利用石墨烯作為基本功能單元制備新一代的分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換及自供電傳感器件，使器件能感受到環(huán)境中化學分子狀態(tài)的改變而輸出電信號。

采用化學氣相沉積方法以及Langmuir-Blodget方法制備了大面積（氧化）石墨烯材料?；瘜W氣相沉積法是制備石墨烯常用的方法，該方法的優(yōu)點在于易實現(xiàn)石墨烯的大面積合成，常以銅、鎳、鉑等金屬為襯底，通過滲碳冷卻、表面催化等工藝制備得到大面積連續(xù)的石墨烯薄膜。實驗中，以C2H4為碳源，H2為載氣，以Ni和Cu為催化劑，生長溫度控制在800-1000℃，通過調(diào)控對開式管式爐中的碳源、壓強、溫度以及生長時間，控制石墨烯的生長厚度。利用化學氣相沉積

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方法，獲得了表面連續(xù)的大面積石墨烯材料。

為了進一步探索并優(yōu)化化學氣相沉積實驗過程，我們采用化學氣相沉積方法制備了大面積二維超薄半導體納米材料，并以此二維超薄結(jié)構(gòu)的半導體納米材料制備類似的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件，借此與高質(zhì)量石墨烯材料的制備方法和器件制作工藝類比，優(yōu)化化學分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換及自供電傳感器件性能，并深入探究器件工作機理。采用化學氣相沉積方法，制備了具有二維超薄結(jié)構(gòu)的氧化鋅以及二硫化鉬半導體納米材料。探索了具有較大比表面積的二維超薄結(jié)構(gòu)的半導體納米材料最優(yōu)化生長工藝；研究了不同升溫速度、生長溫度、生長時間、摻雜元素、反應氣體及載氣比例以及流量等條件，制備的大面積二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米材料的成分、結(jié)構(gòu)、形貌以及光、電、機械等性能；實現(xiàn)了在不同表面狀態(tài)的硅、二氧化硅以及不同晶體取向的藍寶石襯底上生長高質(zhì)量大面積二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米材料。

在實驗研究上，以化學氣相沉積法生長的大片石墨烯和化學剝離的氧化石墨烯（或還原氧化石墨烯）為實驗對象，綜合利用帶環(huán)境氣氛的Kelvin探針顯微鏡（KPFM）、聚焦離子束刻蝕（FIB）等材料領(lǐng)域先進樣品表征、加工手段開展研究；歸納分析化學分子接觸時石墨烯功函數(shù)變化的微觀機制與器件的宏觀行為，為基于功函數(shù)調(diào)控的微納能量轉(zhuǎn)換器件的材料、器件設(shè)計及性能優(yōu)化打下基礎(chǔ)。通過研究生長條件及復合工藝，對石墨烯材料以及二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米材料結(jié)構(gòu)、成分以及形貌、光學和電學等性能，獲得了控制大面積二維超薄結(jié)構(gòu)納米材料的最優(yōu)化生長工藝。

2.2.5基于二維超薄結(jié)構(gòu)納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件制作

以化學氣相沉積制備的大面積石墨烯材料和Langmuir-Blodget方法制備的大面積氧化石墨烯薄膜為功能單元，制作化學分子驅(qū)動的自供電傳感器件。

基本器件制備工藝流程如圖5所示：1）選擇CVD生長的大片單晶石墨烯，轉(zhuǎn)移到Si/SiO2襯底上。綜合拉曼、透射電鏡、X射線衍射儀、半導體參數(shù)分析儀等手段表征所制備的石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)；2）用鋁箔做掩膜遮住中間部分石墨烯，用電子束蒸發(fā)法在石墨烯兩端鍍電極，用導線將電極引出以備測試； 3）用鋁箔做掩模，遮擋一半石墨烯，通過低壓氣相沉積法在器件表面旋涂一層派瑞林(Parylene C) 覆蓋另一半石墨烯。

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圖5石墨烯化學傳感器件制作的工藝路線圖 (a) 在銅上生長的石墨烯；(b) 將石墨烯轉(zhuǎn)移到Si/SiO2襯底上；(c)用鋁箔做掩膜覆蓋石墨烯中間部分；(d)用鋁箔做掩膜蒸鍍兩端電極；(e)引出兩側(cè)電極，用鋁箔做掩膜，沉積parylene C；(f)去掉

掩膜得到所需器件。

經(jīng)外引導線，獲得了以大面積石墨烯為功能單元的聚合物半遮蓋式化學分子驅(qū)動自供電傳感器件。此外，選取了具有較高表面積的氧化鋅和二硫化鉬等二維超薄結(jié)構(gòu)半導體納米片材料，制作大面積二維超薄結(jié)構(gòu)納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件。通過設(shè)計掩膜版的位置和大小，鍍制電極，涂覆半遮蓋式聚合物薄膜等步驟，制備了化學分子驅(qū)動自供電傳感器件。

圖6自供電傳感器的結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

3.1超薄二維半導體納米材料（石墨烯）基本電學性能研究

化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的性能評價主要涉及對其基本電學性能以及在化學有機溶液作用下輸出電學性能的測試?；诖?，我們首先測試了大面積石 8

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墨烯基化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的基本電學性能：包括石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的漏電流行為，以此評價器件封裝完好性以及相關(guān)介質(zhì)層的絕緣性能等；在此基礎(chǔ)之上，通過測試石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的伏安特性曲線，獲得了石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的工作特性以及電極接觸類型等關(guān)鍵器件參數(shù)，如圖7（a）是超薄二維半導體納米材料（石墨烯）的伏安特性曲線；最后，在P型硅/二氧化硅介質(zhì)層襯底的作用，通過調(diào)控背底柵極電壓，測試了石墨烯化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，測試了器件的半導體類型和柵極電壓的調(diào)控作用等器件參數(shù)，圖7（b）是柵壓對石墨烯伏安特性曲線的調(diào)控作用。作為對比，對基于大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件進行了類似的基本電學性能測試。

（a）

（b）

圖7氧化石墨烯自供電傳感器件的電學性能；（a）伏安特性曲線；（b）背底柵

極電壓對其伏安特性曲線的調(diào)控作用

3.2 化學分子驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換器件性能測試

在獲得化學分子驅(qū)動自供電傳感器件基本電學性能的基礎(chǔ)之上，測試了不同化學有機溶液作用下，大面積石墨烯和二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的輸出電學性能。首先測試了無外加電壓激勵作用下，化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的漂移電流以及電壓隨時間的變化規(guī)律，獲得了能量轉(zhuǎn)化器件的背景噪音以及穩(wěn)定性等關(guān)鍵器件指標，圖8（a）所示為傳感器件的背景信號；隨后，通過控制滴加化學有機溶液，測試了大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的電流以及電壓隨時間變化規(guī)律，圖8（b）所示，分析

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了化學分子蒸發(fā)速度與器件電流電壓信號的變化規(guī)律，建立了有機化學分子的極性、表面張力、潤濕性等參數(shù)，與器件輸出電學性能之間的內(nèi)在聯(lián)系機制，探究了化學分子在二維超薄半導體納米片表面的吸附-脫附行為及器件能量傳遞機制?；瘜W分子吸附在二維超薄半導體納米片表面時，器件產(chǎn)生電信號，伴隨載流子的轉(zhuǎn)移，二維超薄半導體納米片密封端和暴露端的費米能級達到平衡，電信號消失；要使器件持續(xù)工作，必須使化學分子處于不斷吸附-脫附的動態(tài)循環(huán)中。

（a）

（b）

（c）

（d）

圖8（a）GO傳感器件的背景噪音信號；（b）滴加6微升二氯甲烷后的電流以及電壓隨時間變化曲線；（c）不同量丙酮的電流隨時間的變化曲線；（d）源極和漏極反向連接后，滴加6微升二氯甲烷的電流以及電壓隨時間變化曲線 隨后，研究了不同滴加量作用下，大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的電流以及電壓隨時間變化規(guī)律；圖8（c）為在分別滴加 10

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10微升和5微升丙酮溶液時的比較，滴加量多時電信號持續(xù)的時間明顯加長。測試了暴露面積以及遮蓋不同位置下，大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的電流以及電壓隨時間變化規(guī)律，獲得了最優(yōu)化的聚合物遮蓋層材料種類以及遮蓋位置和暴露面積等器件關(guān)鍵設(shè)計。在此基礎(chǔ)之上，獲得基于二維超薄結(jié)構(gòu)納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的最優(yōu)化制作工藝。

此外，通過正負極（源極漏極）倒轉(zhuǎn)連接等方式，重復測試了大面積二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的電流以及電壓隨時間變化規(guī)律，獲得了預期的形狀相似但方向相反的電流電壓信號，如圖8（d）所示為氧化石墨烯器件正負極（源極漏極）倒轉(zhuǎn)后滴加二氯甲烷的電流電壓隨時間的變化曲線，結(jié)合直接采用二氧化硅介質(zhì)層作為功能單元制作的器件測試結(jié)果，證明了在滴加極性有機液體后產(chǎn)生的電流電壓信號非偶然發(fā)生，而是由于化學有機溶液分子驅(qū)動作用下，石墨烯以及二維超薄納米材料等功能層產(chǎn)生的必然規(guī)律性信號。

4 結(jié)論

本項目采用化學氣相沉積法制備了超薄二維半導體納米材料（石墨烯），并研究了超薄二維半導體納米材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)、形貌和光電性能。我們選擇了生長質(zhì)量良好的超薄二維半導體納米片，經(jīng)過一系列的工藝，制備了化學分子驅(qū)動的超薄二維半導體納米材料自供電傳感器件，測試了其基本電學性能。在獲得化學分子驅(qū)動傳感器基本電學性能的基礎(chǔ)之上，測試了不同化學有機溶液作用下，大面積石墨烯和二維結(jié)構(gòu)超薄納米材料的化學分子驅(qū)動自供電傳感器件的輸出電學性能。

5 展望

本課題對化學分子驅(qū)動自供電傳感器件性能進行了初步研究，證實二維超薄材料納米傳感器件在極性分子作用下能夠產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的電能，為解決微納電子器件的微電源的維護和替換難題提供了新的思路。因此，希望有越來越多的人來研究制備自供電傳感器件，也希望能對自供電傳感器件的其他性能進行探究。相信隨著納米科技的發(fā)展，自供電傳感器件作為一種優(yōu)秀的納米功能器件，具有非常廣闊的前景。

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6 參考文獻

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