Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och Darmstadts tekniska universitet har utvecklat en ny sensor för gasmolekyler genom att kombinera en grafentransistor med en skräddarsydd metallorganisk beläggning. Den innovativa sensorn detekterar specifikt och exakt molekyler och representerar prototypen av en helt ny klass av sensorer. Den utvecklade etanolsensorn reagerar varken på andra alkoholer eller fukt. Resultaten redovisas i Avancerade material .

Sensorer är allestädes närvarande i fordon eller smartphones, forskningslaboratorier och industrianläggningar. De fångar vissa fysikaliska eller kemiska egenskaper, som tryck, anstränga, eller gasmolekyler, och överföra data till behandling. Vidareutveckling av sensorer, därav, är av avgörande betydelse för den tekniska utvecklingen. Sensorer kännetecknas av sin selektivitet, det vill säga deras förmåga att upptäcka en viss egenskap i närvaro av andra, potentiellt störande egenskaper, såväl som genom deras känslighet, d.v.s. deras förmåga att mäta även låga värden.

Forskare från KIT och Technical University of Darmstadt har nu lyckats utveckla en ny typ av sensor för molekyler i gasfas. Forskarna rapporterar in Avancerade material att funktionsprincipen för denna nya klass av sensorer bygger på att kombinera känsliga grafentransistorer med skräddarsydda metallorganiska beläggningar. Denna kombination möjliggör selektiv detektering av molekyler. Som en prototyp, författarna presenterar en specifik etanolsensor. I motsats till kommersiellt tillgängliga sensorer, den reagerar varken på alkoholer eller fukt.

Grafen är en modifiering av kol med en tvådimensionell struktur. Av naturen, den är mycket känslig för främmande molekyler som fäster på ytan. "Dock, grafen uppvisar ingen molekylspecifik interaktion som behövs för användning som sensor, " säger Ralph Krupke. Krupke är professor vid Institute of Nanotechnology (INT) vid KIT och Institute of Materials Science vid TU Darmstadt. Tillsammans med professor Wolfgang Wenzel (även INT) och professor Christof Wöll, som leder KIT:s Institute of Functional Interfaces (IFG), han ledde studien. Första författare är Sundeep Kumar, som forskar vid Ralph Krupkes laboratorium vid KIT och arbetar med sin doktorsexamen inom området molekylära nanostrukturer vid Institutet för materialvetenskap vid TU Darmstadt. "För att uppnå den nödvändiga selektiviteten, vi har fått ett metallorganiskt ramverk att växa på ytan, " förklarar Krupke.

Sensorer kan justeras exakt

Metall-organiska ramverk (MOF) består av metalliska noder och organiska molekyler som vevstakar. Genom att välja olika kombinationer, dessa mycket porösa kristallina material kan skräddarsys för olika applikationer för att uppnå en selektiv absorptionskapacitet för vissa molekyler, till exempel. Forskarna från Karlsruhe och Darmstadt presenterade en selektiv sensorplattform genom att odla ett ytmonterat metall-organiskt ramverk (SURMOF) direkt på en grafenfälteffekttransistor (GFET). En sådan komponent drar nytta av den höga känsligheten och enkla avläsningen av en GFET såväl som den höga selektiviteten hos en SURMOF.

"Kombinationen av grafenens unika elektroniska egenskaper med den höga kemiska variationen hos MOF öppnar en stor potential, " säger Christof Wöll. Eftersom olika typer av SURMOF kan tillverkas och kemiska utformningar av gränssnittet mellan GFET och SURMOF kan variera, forskarnas arbete öppnar upp en helt ny klass av sensorer med en specifikt anpassad selektivitet och känslighet. "Här, simulering hjälper, " Wolfgang Wenzel säger, "eftersom vi kan skapa många MOFs på datorn utan att behöva syntetisera dem."