Figur 1. Enhetsschematisk beskrivning av den aktiva kolfunktionaliserade grafensensorn med insatsen som visar det porösa aktiverade kol-grafengränssnittet. Kredit:Japan Advanced Institute of Science and Technology
Grafen, ett atomtjockt ark av kol, har funnit enorma tillämpningar i gassensorer på grund av dess känslighet för en enda molekyl, låga brusnivåer och höga bärartäthet. Men grafenens mycket omtalade känslighet betyder också att det i sig är icke-selektivt för någon gas. Därför får den lätt enorm p-dopning (minskning av grafenelektrondensitet) när den utsätts för atmosfärisk luft, vilket begränsar demonstrationer av dess selektivitet till endast inerta miljöer som torr luft eller kväve.
Ändå, för den faktiska kommersialiseringen av grafen i applikationer som miljöövervakning eller kliniska sensorer för andnings-/hudgas, krävs atmosfärisk exponering. Detta har krävt önskan att uppnå samtidig atmosfärisk passivering och hög hastighet och selektiv gasavkänning i grafen. Vanliga metoder för att inducera selektivitet involverar vanligtvis polymerbeläggningar på grafen. Detta tillvägagångssätt förändrar dock grafenets inneboende egenskaper, samtidigt som betydande delar av grafenkanalen exponeras för atmosfärisk dopning.
För att uppnå samtidig atmosfärisk passivering och selektiv gasavkänning i grafen utvecklade en forskargrupp ledd av Dr. Manoharan Muruganathan (lektor) och professor Hiroshi Mizuta vid Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en nanoporös aktiverad- kolfunktionaliserad grafenkanal i samarbete med industriella partners, Mr. Hisashi Maki, Mr. Masashi Hattori, Mr. Kenichi Shimomai.
Den aktiverade kolfunktionaliserade kemiska ångavsättningen (CVD)-grafenkanalen (Figur 1) erhölls via pyrolys av en postlitografisk Novolac-hartspolymer, säger forskarna Dr. A. Osazuwa Gabriel och Dr. R. Sankar Ganesh. På grund av den liknande arbetsfunktionen mellan det aktiverade kolet och grafenet, bibehålls de elektroniska egenskaperna hos CVD-grafenen i sensorn, med försumbar atmosfärisk dopning även efter 40 minuters atmosfärisk exponering. Dessutom definierar det oxiderade aktiverade kol-grafengränssnittet ammoniakselektiva adsorptionsställen, vilket resulterar i rumstemperatur ammoniakkänslighet av ensiffriga delar per miljard (ppb) i atmosfärisk luft med några sekunders svarstid. Följaktligen realiserades molekylsilfunktionalitet i atmosfärisk luft.
Med samma sensor demonstrerade de också en ny molekylär identifieringsteknik, laddningsneutralitetspunktsskillnadsmetoden, som använder de elektriska fältberoende laddningsöverföringsegenskaperna hos adsorberade gaser på grafenkanalen. Den extrema ammoniakselektiviteten, den atmosfäriska passiveringen samt den lätta och skalbara litografiska tillverkningen av denna sensor gör den lämplig för kliniska och miljömässiga sensorapplikationer. "Dessa resultat tar grafengassensorer från demonstrationer i kontrollerade miljöer till faktiska atmosfäriska tillämpningar, vilket öppnar ett nytt perspektiv inom grafenbaserad gasavkänning", säger forskare Masashi Hattori. + Utforska vidare
