Grafen-adsorbat van der Waals-bindingshukommelse inspirerer smarte grafensensorer

monolag grafen, et tykt atomlag af kulstof, har fundet enorme applikationer på forskellige områder, herunder kemiske sensorer og elektronisk detektering af enkeltmolekyleadsorptionshændelser. Derfor, overvågning af fysisorberede molekyler inducerede ændringer af den elektriske respons af grafen er blevet allestedsnærværende i grafenbaserede sensorer. Elektrisk felttuning af den fysisorberede molekyle-grafen-interaktion resulterer i forbedret gassensing på grund af unik elektrisk feltafhængig ladningsoverførsel mellem den adsorberede gas og grafen. Molekylær identifikation i grafensensorer blev forudsagt baseret på denne unikke elektrisk afstembare ladningsoverførsel, som er en signatur for forskellige adsorberede molekyler.

Alligevel, at opnå molekylær identifikationsfunktionalitet i grafensensorer, en forståelse af gasadsorptions-/desorptionshændelser og retention af grafen-gas-molekyle-interaktionen efter slukning af det elektriske felt ønskes. Indtil nu, grafen-gas-molekylets bindingsinteraktioner blev anset for at være randomiserede af omgivende termisk energi, efter at det elektriske felt blev slukket, hvilket ikke er overraskende, da disse interaktioner er van der Waals (vdW) bindinger og så i sagens natur svage. Alligevel, denne forudsatte termisk randomisering af grafen-gas-molekylet vdW-binding var uverificeret eksperimentelt og en stor ulempe i retning af elektrisk afstembar ladningsoverførselsbaseret molekylær identifikation i grafengassensorer.

For at tydeliggøre bindingsretentionen af ​​adsorberede gasmolekyler på grafen med og uden elektrisk felttuning, Osazuwa Gabriel Agbonlahor (nuværende doktorand), Tomonori Imamura (uddannet kandidatstuderende), Dr. Manoharan Murugananthan (Senior Lektor), og professor Hiroshi Mizuta fra Mizuta Laboratory ved Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) overvågede det tidsafhængige vdW-interaktionshenfald af adsorberet CO ₂ molekyler på grafen ved forskellige elektriske felter. Ved at bruge det elektriske felt til at afstemme interaktionen mellem den adsorberede gas og grafen, ladningsoverførslen mellem den adsorberede CO ₂ molekyler og grafen blev overvåget, mens det elektriske afstemningsfelt blev tændt, og efter at det blev slukket. Bemærkelsesværdigt, grafen-gas molekylet van der Waals interaktioner blev bibeholdt timer efter det elektriske felt blev slukket, demonstrerer både ladningsoverførsel og bærerspredningsretention, der er karakteristisk for det tidligere påførte elektriske felts størrelse og retning, dvs. den adsorberede CO ₂ molekyler demonstrerede en 'vdW-bindingshukommelse'.

På grund af denne bindende hukommelse, ladningsoverførsels- og spredningsegenskaberne for de adsorberede gasmolekyler på grafen kan studeres timer efter, at det elektriske felt er slukket, hvilket er afgørende for at identificere adsorberede molekyler baseret på deres signaturladningsoverførselsrespons på et påført elektrisk felt. Desuden, den lange bindingsretentionstid (over 2 timer) af disse elektrisk indstillede adsorberede molekyler, adskiller grafenbaserede sensorer som platforme til udvikling af 'smarte' sensorer, der er egnede til 'beyond-sensing'-applikationer i hukommelsesenheder og konformationelle switche.