Ultrasensitive sensorer fremstillet af bor-dopet grafen

Ultrasensitive gassensorer baseret på infusion af boratomer i grafen - en tæt bundet matrix af carbonatomer - kan snart være mulige, ifølge et internationalt team af forskere fra seks lande.

Grafen er kendt for sin bemærkelsesværdige styrke og evne til at transportere elektroner ved høj hastighed, men det er også en meget følsom gassensor. Med tilsætning af boratomer, borgrafen -sensorerne var i stand til at detektere skadelige gasmolekyler ved ekstremt lave koncentrationer, dele pr. milliard for nitrogenoxider og dele pr. million for ammoniak, de to gasser, der er testet til dato. Dette oversætter til en 27 gange større følsomhed over for nitrogenoxider og 10, 000 gange større følsomhed over for ammoniak sammenlignet med uberørt grafen. Forskerne mener, at disse resultater, rapporteret i dag (2. november) i Procedurer fra National Academy of Sciences , vil åbne en vej til højtydende sensorer, der kan registrere spormængder af mange andre molekyler.

"Dette er et projekt, som vi har forfulgt i de sidste fire år, "sagde Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi og materialevidenskab i Penn State. "Vi var tidligere i stand til at dope grafen med nitrogenatomer, men bor viste sig at være meget vanskeligere. Når vi var i stand til at syntetisere det, vi troede var borgrafen, Vi samarbejdede med eksperter i USA og rundt om i verden for at bekræfte vores forskning og teste egenskaberne af vores materiale. "

Både bor og nitrogen ligger ved siden af ​​kulstof på det periodiske system, gør deres udskiftning mulig. Men borforbindelser er meget luftfølsomme og nedbrydes hurtigt, når de udsættes for atmosfæren. En centimeter-kvadratiske plader blev syntetiseret i Penn State i et enestående boblerassisteret kemisk dampaflejringssystem. Resultatet var stort område, bor-dopede grafenplader af høj kvalitet.

Når den er fremstillet, forskerne sendte borgrafenprøver til forskere ved Honda Research Institute USA Inc., Columbus, Ohio, der testede prøverne mod deres egne meget følsomme gassensorer. Konstantin Novoselovs laboratorium ved University of Manchester, Storbritannien, studeret sensorernes transportmekanisme. Novoselov var nobelpristager i fysik i 2010. Teorisamarbejdere i USA og Belgien matchede scanningstunnelmikroskopibillederne til eksperimentelle billeder, bekræftede tilstedeværelsen af ​​boratomerne i grafengitteret og deres virkning ved interaktion med ammoniak- eller nitrogenoxidmolekyler. Samarbejdspartnere i Japan og Kina bidrog også til forskningen.

"Denne tværfaglige forskning baner en ny vej til yderligere udforskning af ultrafølsomme gassensorer, "sagde Avetik Harutyunyan, chefforsker og projektleder ved Honda Research Institute USA Inc. "Vores tilgang kombinerer nye nanomaterialer med kontinuerlig ultraviolet lysstråling i sensordesignet, der er blevet udviklet i vores laboratorium af hovedforsker Dr. Gugang Chen i de sidste fem år. Vi mener, at videreudvikling af denne teknologi kan bryde dele pr. kvadrillions detektionsgrænse, hvilket er op til seks størrelsesordener bedre følsomhed end nuværende state-of-the-art sensorer. "

Disse sensorer kan bruges til laboratorier og industrier, der bruger ammoniak, en stærkt ætsende sundhedsfare, eller for at påvise nitrogenoxider, et farligt atmosfærisk forurenende stof, der udsendes fra bilrør. Udover at detektere giftige eller brandfarlige gasser, teoretisk arbejde indikerer, at bor-dopet grafen kan føre til forbedrede lithium-ion-batterier og felt-effekt-transistorer, forfatterne rapporterer.