Hoewel ze ontdekten dat grafeen zeer goede chemische sensoren maakt, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een onverwachte "draai" ontdekt - dat de sensoren beter zijn als het grafeen "slechter" is - meer onvolkomenheden verbeterde de prestaties.

"Dit is precies het tegenovergestelde van wat je zou willen voor transistors, bijvoorbeeld, " legde Eric Pop uit, een assistent-professor in elektrische en computertechniek en lid van het interdisciplinaire onderzoeksteam. "Om te ontdekken dat hoe minder perfect ze waren, hoe beter ze werkten, was aanvankelijk contra-intuïtief."

De onderzoeksgroep, waaronder onderzoekers van zowel chemische technologie als elektrotechniek, en van een startend bedrijf, Dioxide materialen, rapporteerden hun resultaten in de 23 november, uitgave van 2011 Geavanceerde materialen .

"Het doel van dit werk was om te begrijpen wat de gevoeligheid van eenvoudige, twee-terminale grafeen chemiresistors, en om dit te bestuderen in de context van goedkope apparaten die gemakkelijk kunnen worden vervaardigd door chemische dampafzetting (CVD), ", aldus hoofdauteurs Amin Salehi-Khojin en David Estrada.

De onderzoekers ontdekten dat de respons van grafeen-chemiresistoren afhangt van het type en de geometrie van hun defecten.

"Bijna ongerepte grafeen-chemiresistoren zijn minder gevoelig voor analytmoleculen omdat adsorbaten zich binden aan puntdefecten, die lage weerstandspaden om zich heen hebben, " merkte Salehi-Khojin op, een onderzoekswetenschapper bij Dioxide Materials en postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering (ChemE) in Illinois. "Als resultaat, adsorptie bij puntdefecten heeft slechts een klein effect op de algehele weerstand van het apparaat. Anderzijds, lijndefecten ter grootte van een micrometer of ononderbroken lijnen van puntdefecten zijn verschillend omdat er geen gemakkelijke geleidingspaden rond dergelijke defecten bestaan, dus de weerstandsverandering na adsorptie is aanzienlijk."

“Dit kan leiden tot betere en goedkopere gassensoren voor uiteenlopende toepassingen zoals energie, binnenlandse veiligheid en medische diagnostiek", zegt Estrada, een promovendus bij de afdeling Electrical and Computer Engineering.

Volgens de auteurs is de tweedimensionale aard van defecte, CVD-gekweekte grafeen-chemiresistoren zorgen ervoor dat ze zich anders gedragen dan koolstofnanobuis-chemiresistoren. Deze gevoeligheid wordt verder verbeterd door het grafeen te snijden in linten met een breedte die vergelijkbaar is met de afmetingen van het lijndefect, of micrometer in deze studie.

"Wat we hebben vastgesteld, is dat de gassen die we waarnamen de neiging hebben zich te binden aan de defecten, " zei Pop. "Oppervlaktedefecten in grafeen zijn ofwel punt-, rimpel-, of lijnachtig. We ontdekten dat de punten er niet zoveel toe doen en dat de lijnen het meest waarschijnlijk zijn waar de waarneming plaatsvindt."

"De grafeenlinten met lijndefecten lijken superieure prestaties te bieden als grafeensensoren, " zei emeritus hoogleraar ChemE en CEO van Dioxide Materials Richard Masel. "Vooruit, we denken dat we de lijndefecten kunnen engineeren om de gevoeligheid van het materiaal te maximaliseren. Deze nieuwe benadering zou ons in staat moeten stellen goedkope en gevoelige chemische sensoren te produceren met betere prestaties dan die van koolstofnanobuissensoren."