Kredit:University of Nebraska-Lincoln
Att fästa band av kol i DNA-storlek till en gassensor kan öka dess känslighet mycket bättre än något annat känt kolmaterial, säger en ny studie från University of Nebraska-Lincoln.
Teamet utvecklade en ny form av nanoband gjord av grafen, en 2-D bikaka av kolatomer. När forskarna integrerade en film av nano-banden i kretsen av en gassensor, den reagerade ungefär 100 gånger känsligare på molekyler än sensorer med till och med de bäst presterande kolbaserade materialen.
"Vi har tidigare studerat sensorer baserade på andra kolbaserade material som grafen och grafenoxid, sade Alexander Sinitskii, docent i kemi i Nebraska. "När det gäller grafen nano-band, vi var säkra på att vi skulle se något sensorsvar, men vi förväntade oss inte att det skulle vara så mycket högre än något vi har sett tidigare."
Rapportera sina fynd i tidskriften Naturkommunikation , forskarna visade att gasmolekyler dramatiskt kan förändra det elektriska motståndet hos nanobandfilmer. Olika gaser producerade olika motståndssignaturer, så att sensorn kan skilja mellan dem.
"Med flera sensorer på ett chip, vi kunde visa att vi kan skilja mellan molekyler som har nästan samma kemiska natur, sade Sinitskii, en medlem av Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "Till exempel, vi kan skilja mellan metanol och etanol. Så dessa sensorer baserade på grafen nanoband kan inte bara vara känsliga utan också selektiva."
Denna rendering visar gasmolekyler som vidgar klyftorna mellan raderna av lagets grafen nanoband. Nebraskas Alexander Sinitskii och hans kollegor har föreslagit att detta fenomen delvis förklarar hur nanobanden ger sensorer en aldrig tidigare skådad ökning av känsligheten. Kredit:University of Nebraska-Lincoln
Sinitskii och hans kollegor misstänker att nanobandens anmärkningsvärda prestanda delvis beror på en ovanlig interaktion mellan banden och gasmolekylerna. Till skillnad från sina föregångare, lagets nanoband – som liknar ordnade rader av Charlie Browns skjortränder – står vertikalt istället för att ligga plant på en yta. Teamet har föreslagit att gasmolekyler kan knuffa isär dessa rader, förlänger effektivt gapen mellan nanoband som elektroner måste hoppa för att leda elektricitet.
Gå in i (bensen)ringen
grafen, vars upptäckt 2004 så småningom fick ett Nobelpris, har oöverträffad elektrisk ledningsförmåga. Men materialets avsaknad av ett bandgap – vilket kräver att elektroner ska få energi innan de hoppar från sina nära banor runt atomer till ett yttre "ledningsband" som driver konduktiviteten – hindrade initialt forskare från att stänga av den konduktiviteten. Detta, i tur och ordning, innebar utmaningar för att tillämpa grafen i elektronik som kräver justering av materialets konduktivitet efter behag.
En potentiell lösning involverade att trimma ark av grafen ner till nanoskopiska band som datorsimuleringar föreslog skulle ha det svårfångade bandgapet. Detta visade sig vara svårt att göra med den atomära precision som behövdes för att bevara egenskaperna som gjorde grafen tilltalande i första hand, så forskare började tillverka band nerifrån och upp genom att strategiskt knäppa ihop molekyler på vissa typer av fasta ytor. Även om processen fungerade – och de resulterande banden hade ett bandgap – begränsade det forskarna till att bara tillverka några få band åt gången.
Ett avkänningschip som kan ta emot nanoskopiskt tunna filmer av teamets grafen nanoband. Kredit:University of Nebraska-Lincoln
Under 2014, Sinitskii banade väg för ett tillvägagångssätt som kunde massproducera nanoband i en flytande lösning, ett viktigt steg mot att skala upp tekniken för elektroniska applikationer. Men filmerna gjorda av dessa nanoband var inte tillräckligt ledande för att utföra elektriska mätningar. Teamets senaste studie anpassade den ursprungliga kemiska metoden genom att lägga till bensenringar – cirkulära molekyler med sex atomer av både kol och väte – på vardera sidan av ett första generationens nanoband. Dessa ringar vidgade bandet, minska dess bandgap och förbättra dess förmåga att leda elektricitet.
"Människor tänker inte ofta på grafen nanoband som ett sensormaterial, sade Sinitskii. samma (egenskap) som gör nanobanden bra för enheter som transistorer – förmågan att ändra sin konduktivitet med flera storleksordningar – är också det som gör dem bra för sensorer.
"Det är möjligt att designa många olika typer av grafen nanoband med mycket olika egenskaper. Endast ett fåtal typer har experimentellt demonstrerats hittills, men det finns många intressanta teoretiska förutsägelser om band som ännu inte har syntetiserats av kemister. Så det är mycket troligt att nya nanoband med ännu bättre sensoregenskaper eller andra spännande egenskaper kommer att utvecklas inom en snar framtid."
