Forskare har upptäckt ett sätt att skapa en mycket känslig kemisk sensor baserad på de kristallina bristerna i grafenark. Ofullkomligheterna har unika elektroniska egenskaper som forskarna kunde utnyttja för att öka känsligheten för absorberade gasmolekyler med 300 gånger.

Studien är tillgänglig online innan utskrift i Naturkommunikation .

Amin Salehi-Khojin, biträdande professor i maskin- och industriteknik i labbet med Mohammad Asadi, doktorand och Bijandra Kumar, post doc där de forskar i grafensensorer. Foto:Roberta Dupuis-Devlin/UIC Photo Services

När ett grafengitter eller -ark bildas, dess polykristallina struktur har slumpmässiga gränser mellan enkristallkornen. Gitterets egenskaper påverkas avsevärt av dessa "korngränser, " sa Amin Salehi-Khojin, UIC biträdande professor i maskin- och industriteknik och huvudutredare på studien.

I många applikationer, korngränser anses vara fel eftersom de sprider elektroner och kan försvaga gittret. Men Salehi-Khojin och hans kollegor visade att dessa brister är viktiga för grafenbaserade gassensorer. De skapade en mikronstor, individuell grafenkorngräns för att undersöka dess elektroniska egenskaper och studera dess roll i gasavkänning.

Deras första upptäckt var att gasmolekyler lockas till spannmålsgränsen och ackumuleras där, snarare än på grafenkristallen, vilket gör den till en idealisk plats för avkänning av gasmolekyler. En spannmålsgräns elektriska egenskaper lockar molekyler till dess yta.

En teoretisk kemigrupp vid UIC, ledd av Petr Kral, kunde förklara denna attraktion och ytterligare elektroniska egenskaper hos korngränsen. Den oregelbundna naturen hos korngränsen producerar hundratals elektrontransportgap med olika känslighet.

"Det är som om vi har flera växlar parallellt, sa doktoranden Poya Yasaei, första författare på tidningen. "Gasmolekyler ackumuleras på korngränsen; det finns en laddningsöverföring; och, eftersom dessa kanaler alla är parallella, alla kanaler öppnas eller stänger plötsligt. Vi ser ett mycket skarpt svar. "

Forskare har försökt utveckla en mycket känslig och robust sensor i årtionden, sa UIC postdoktor Bijandra Kumar, en medförfattare på tidningen.

"Vi kan syntetisera dessa spannmålsgränser på en mikrometerskala på ett kontrollerat sätt, "Sa Kumar. "Vi kan enkelt tillverka chip-skala sensor arrays med dessa korn gränser för verklig användning."

Salehi-Khojin sa att det borde vara möjligt att "justera" de elektroniska egenskaperna hos grafenkorngränser med hjälp av kontrollerad dopning för att erhålla ett fingeravtryckssvar - vilket skapar en pålitlig och stabil "elektronisk näsa."

Med korngränsens starka attraktion för gasmolekyler och den utomordentligt skarpa responsen på varje laddningsöverföring, en sådan elektronisk näsa kanske kan upptäcka till och med en enda gasmolekyl, Salehi-Khojin tror, och skulle vara en idealisk sensor.