Ufuldkommenheder kan forbedre grafensensorer

Selvom de fandt ud af, at grafen er meget gode kemiske sensorer, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har opdaget et uventet "twist" - at sensorerne er bedre, når grafen er "værre" - flere ufuldkommenheder forbedrede ydeevnen.

"Dette er det modsatte af, hvad du ville ønske for transistorer, for eksempel, " forklarede Eric Pop, en adjunkt i elektro- og computerteknik og medlem af det tværfaglige forskerhold. "At finde ud af, at jo mindre perfekte de var, jo bedre de arbejdede, var kontraintuitiv i starten."

Forskergruppen, som omfatter forskere fra både kemiteknik og elektroteknik, og fra en nystartet virksomhed, Dioxid materialer, rapporterede deres resultater den 23. november, 2011 udgave af Avancerede materialer .

"Målet med dette arbejde var at forstå, hvad der begrænser følsomheden af ​​simple, to-terminale grafen kemimodstande, og at studere dette i sammenhæng med billige anordninger, der let fremstilles ved kemisk dampaflejring (CVD), " sagde hovedforfatterne Amin Salehi-Khojin og David Estrada.

Forskerne fandt ud af, at responsen fra grafenkemimodstande afhænger af typen og geometrien af ​​deres defekter.

"Næsten uberørte grafenkemimodstande er mindre følsomme over for analytmolekyler, fordi adsorbater binder til punktdefekter, som har lav modstandsbaner omkring sig, " bemærkede Salehi-Khojin, en forsker ved Dioxide Materials og post-doc forskningsassistent ved Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik (ChemE) i Illinois. "Som resultat, Adsorption ved punktdefekter har kun en lille effekt på enhedens samlede modstand. På den anden side, mikrometer-størrelse linjedefekter eller kontinuerlige linjer med punktdefekter er forskellige, fordi der ikke findes nogen nemme ledningsveje omkring sådanne defekter, så modstandsændringen efter adsorption er signifikant."

"Dette kan føre til bedre og billigere gassensorer til en række applikationer såsom energi, homeland security og medicinsk diagnostik" sagde Estrada, som er doktorgradskandidat i Institut for Elektro- og Computerteknik.

Ifølge forfatterne, den todimensionelle karakter af defekt, CVD-dyrkede grafen kemimodstande får dem til at opføre sig anderledes end carbon nanorør kemimodstande. Denne følsomhed forbedres yderligere ved at skære grafenen i bånd med bredde, der kan sammenlignes med linjedefektens dimensioner, eller mikrometer i denne undersøgelse.

"Det, vi fandt ud af, er, at de gasser, vi registrerede, har en tendens til at binde sig til defekterne, " sagde Pop. "Overfladefejl i grafen er enten punkt-, rynke-, eller linjelignende. Vi fandt ud af, at punkterne ikke betyder så meget, og linjerne er højst sandsynligt der, hvor sansningen sker."

"Graphenbåndene med stregdefekter ser ud til at tilbyde overlegen ydeevne som grafensensorer, " sagde ChemE professor emeritus og Dioxide Materials CEO Richard Masel. "I fremtiden, vi tror, ​​at vi måske er i stand til at konstruere linjefejlene for at maksimere materialets følsomhed. Denne nye tilgang skulle give os mulighed for at producere billige og følsomme kemiske sensorer med en bedre ydeevne end kulstofnanorørssensorer."