Nyt paradigme inden for atmosfærisk gassensing og molekylær identifikation

Grafen, et atomtykt ark kulstof, har fundet enorme anvendelser i gassensorer på grund af dets enkeltmolekylefølsomhed, lave støjniveauer og høje bærertæthed. Men grafens meget bebudede følsomhed betyder også, at det i sagens natur er ikke-selektivt for enhver gas. Derfor får den let enorm p-doping (reduktion af grafenelektrondensitet), når den udsættes for atmosfærisk luft, hvilket begrænser demonstrationer af dens selektivitet til kun inerte miljøer såsom tør luft eller nitrogen.

Ikke desto mindre er atmosfærisk eksponering påkrævet for den faktiske kommercialisering af grafen i applikationer som miljøovervågning eller ånde-/hudgassensorer. Dette har nødvendiggjort ønsket om at opnå samtidig atmosfærisk passivering og højhastigheds- og selektiv gassensing i grafen. Almindelige metoder til at inducere selektivitet involverer typisk polymerbelægninger på grafen. Denne tilgang ændrer imidlertid grafenens iboende egenskaber, mens den stadig udsætter betydelige dele af grafenkanalen for atmosfærisk doping.

For at opnå samtidig atmosfærisk passivering og selektiv gassensing i grafen udviklede et forskerhold ledet af Dr. Manoharan Muruganathan (Senior Lektor) og professor Hiroshi Mizuta ved Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en nanoporøs aktiveret- kulstoffunktionaliseret grafenkanal i samarbejde med industrielle partnere, Mr. Hisashi Maki, Mr. Masashi Hattori, Mr. Kenichi Shimomai.

Den aktiverede kulstoffunktionaliserede kemiske dampaflejring (CVD)-grafenkanal (figur 1) blev opnået via pyrolyse af en post-litografisk Novolac-harpikspolymer, siger forskerne Dr. A. Osazuwa Gabriel og Dr. R. Sankar Ganesh. På grund af den lignende arbejdsfunktion mellem det aktiverede kul og grafen, bibeholdes de elektroniske karakteristika af CVD-grafen i sensoren, med ubetydelig atmosfærisk doping selv efter 40 minutters atmosfærisk eksponering. Ydermere definerer den oxiderede aktiverede carbon-grafen-grænseflade ammoniakselektive adsorptionssteder, hvilket resulterer i stuetemperatur ammoniakfølsomhed af encifrede dele pr. milliard (ppb) i atmosfærisk luft med et par sekunders responstid. Som følge heraf blev molekylsigtefunktionalitet i atmosfærisk luft realiseret.

Ved hjælp af den samme sensor demonstrerede de også en ny molekylær identifikationsteknik, ladningsneutralitetspunktdisparitetsmetoden, som udnytter de elektriske feltafhængige ladningsoverførselskarakteristika for adsorberede gasser på grafenkanalen. Den ekstreme ammoniakselektivitet, atmosfæriske passivering samt let og skalerbar litografisk fremstilling af denne sensor gør den velegnet til kliniske og miljømæssige sensorapplikationer. "Disse resultater tager grafengassensorer fra demonstrationer i kontrollerede miljøer til faktiske atmosfæriske applikationer, hvilket åbner en ny udsigt inden for grafenbaseret gassensing," siger forskningssamarbejdspartner Masashi Hattori. + Udforsk yderligere

Grafen-adsorbat van der Waals-bindingshukommelse inspirerer 'smarte' grafensensorer