Ufuldkommenheder i grafen er nøglen til at skabe overfølsom elektronisk næse

Forskere har opdaget en måde at skabe en meget følsom kemisk sensor baseret på de krystallinske fejl i grafenplader. Ufuldkommenhederne har unikke elektroniske egenskaber, som forskerne var i stand til at udnytte til at øge følsomheden over for absorberede gasmolekyler med 300 gange.

Undersøgelsen er tilgængelig online forud for print i Naturkommunikation .

Amin Salehi-Khojin, assisterende professor i maskin- og industriteknik i laboratoriet med Mohammad Asadi, kandidatstuderende og Bijandra Kumar, post doc, hvor de forsker i grafensensorer. Foto:Roberta Dupuis-Devlin/UIC Photo Services

Når et grafengitter eller -ark dannes, dens polykrystallinske struktur har tilfældige grænser mellem enkeltkrystalkornene. Gitterets egenskaber er væsentligt påvirket af disse "korngrænser, " sagde Amin Salehi-Khojin, UIC assisterende professor i maskin- og industriteknik og hovedefterforsker på undersøgelsen.

I mange applikationer, korngrænser betragtes som fejl, fordi de spreder elektroner og kan svække gitteret. Men Salehi-Khojin og hans kolleger viste, at disse ufuldkommenheder er vigtige for arbejdet med grafenbaserede gassensorer. De skabte en mikron-størrelse, individuelle grafenkorngrænser for at undersøge dets elektroniske egenskaber og studere dets rolle i gassensing.

Deres første opdagelse var, at gasmolekyler tiltrækkes af korngrænsen og akkumuleres der, snarere end på grafenkrystallen, hvilket gør det til det ideelle sted at registrere gasmolekyler. En korngrænses elektriske egenskaber tiltrækker molekyler til dens overflade.

En teoretisk kemigruppe ved UIC, ledet af Petr Kral, var i stand til at forklare denne tiltrækning og yderligere elektroniske egenskaber ved korngrænsen. Den uregelmæssige natur af korngrænsen producerer hundredvis af elektrontransportgab med forskellige følsomheder.

"Det er, som om vi har flere kontakter parallelt, " sagde kandidatstuderende Poya Yasaei, første forfatter på papiret. "Gasmolekyler akkumuleres på korngrænsen; der er en ladningsoverførsel; og, fordi disse kanaler alle er parallelle, alle kanaler åbner eller lukker pludseligt. Vi ser en meget skarp respons."

Forskere har forsøgt at udvikle en meget følsom og robust sensor i årtier, sagde UIC postdoc-stipendiat Bijandra Kumar, en medforfatter på papiret.

"Vi kan syntetisere disse korngrænser på en mikrometerskala på en kontrolleret måde, " sagde Kumar. "Vi kan nemt fremstille chip-skala sensor arrays ved hjælp af disse korngrænser til brug i den virkelige verden."

Salehi-Khojin sagde, at det burde være muligt at "tune" de elektroniske egenskaber af grafenkorn-grænse-arrays ved hjælp af kontrolleret doping for at opnå et fingeraftrykssvar - og dermed skabe en pålidelig og stabil "elektronisk næse."

Med korngrænsens stærke tiltrækning af gasmolekyler og den ekstraordinært skarpe reaktion på enhver ladningsoverførsel, sådan en elektronisk næse vil måske være i stand til at detektere selv et enkelt gasmolekyle, Salehi-Khojin mener, og ville være en ideel sensor.