Ett internationellt team av forskare ledda av National Physical Laboratory (NPL) har utfört nya mätningar av grafens elektriska svar på syntetisk luft, exponerar en distinkt kunskapslucka som måste överbryggas innan kommersialiseringen av grafenbaserade gassensorer.

Tidig gasdetektering är avgörande på många områden, inklusive miljöskydd, medicinsk diagnos och nationellt försvar. grafen, "undermaterialet" som består av ett tvådimensionellt lager av kolatomer, har väckt stor uppmärksamhet för sina potentiella gasavkänningsapplikationer.

När grafenytan blottas för vissa kemikalier, dessa kemikalier antingen donerar eller drar ut elektroner från grafen, orsakar en förändring i den elektriska resistiviteten. Grafen är otroligt känsligt för denna process, i själva verket är den så känslig att bara en enda molekyl kvävedioxid kan orsaka en mätbar förändring. En grafenbaserad gassensor skulle använda dessa elektriska förändringar för att upptäcka målkemikalien.

Dock, det är inte så enkelt. Gassensorer måste exponeras för miljön för att upptäcka målarten, men grafen är känsligt för så många olika kemikalier att dess elektriska resistivitet förändras avsevärt i enbart omgivande luft. Detta gör det svårt att skilja mellan de förändringar som orsakas av målgasen och de som orsakas av den naturliga miljön.

I en ny studie, en grupp forskare från NPL, Chalmers University of Technology och US Naval Research Laboratory har använt en ny teknik för att undersöka effekterna av omgivande luft på grafen i en kontrollerad miljö för att karakterisera dess reaktion.

Forskarna undersökte effekterna av kväve, syre, vattenånga och kvävedioxid (i koncentrationer som vanligtvis finns i omgivande luft) på epitaxiell grafen inuti en kontrollerad miljökammare. Alla mätningar gjordes vid NPL genom att använda Kelvin-sondkraftsmikroskopi samtidigt som transportmätningar (motståndsmätningar) utfördes. Denna nya kombination gav forskare den unika förmågan att koppla samman de lokala och globala elektroniska egenskaperna, en uppgift som tidigare visat sig vara svår.

Studien, publicerad i 2D Materials, experimentellt visade att kombinationen av gaser som används inte helt replikerar effekterna av omgivande luft; även vid högre koncentrationer än de som finns i den typiska atmosfären, det är stor skillnad i grafens svar. Detta resultat motsäger tidigare litteratur, vilket främst har tillskrivit förändringarna i grafens elektroniska egenskaper till dessa gaser. Och det väcker frågan:"Vilka mystiska kemikalier orsakar detta betydande svar?"

Det är tydligt att, medan grafenbaserade gassensorer har stor potential, det återstår fortfarande mycket forskning. Ytterligare utforskning behövs för att hitta den felande länken mellan effekterna som ses i kontrollerade laboratorier och effekterna som ses i omgivande luft. Forskare är också intresserade av att studera metoder för att optimera enheterna genom att minska känsligheten för specifika målarter, såsom kemisk funktionalisering.