Grafeen - koolstofatomen verpakt in een honingraatrooster - vertoont uitzonderlijke fysieke en elektronische eigenschappen die niet worden gevonden in conventionele materialen. Het oppervlak van grafeen verfraaien met nanodeeltjes kan de prestaties van het materiaal verder verbeteren, maar de fabricagetechniek is niet zonder uitdagingen. Verawati Tjoa en medewerkers van het A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology en de Nanyang Technological University hebben nu een eenvoudige manier aangetoond om het oppervlak van grafeen te versieren met gouden nanodeeltjes. Het resulterende materiaal is gevoeliger en veelzijdiger dan onversierde grafeen voor gasdetectie.

Hoewel grafeen van hoge zuiverheid verkrijgbaar is door mechanische afschilfering van hoogwaardig grafiet, deze methode is niet geschikt voor grootschalige toepassingen. Tjoa en haar team richtten hun aandacht op gereduceerd grafeenoxide (rGO), die veel toegankelijker en praktischer is voor toepassingen, en bestudeerde hoe het hechten van gouden nanodeeltjes de fysieke eigenschappen van het materiaal kan beïnvloeden. Ze verkregen met goud versierde vellen met gereduceerd grafeenoxide (Au-rGO) door grafeenoxidevellen onder te dompelen in chloorgoudzuur vóór chemische reductie.

De vorming van metalen nanodeeltjes is al eerder gemeld, maar zoals Tjoa uitlegt:"[dit werk] is het eerste in zijn soort dat de elektronische eigenschappen van deze systemen bestudeert". De elektrische karakterisering laat direct zien dat de Au-rGO positief gedoteerd is en een lagere geleidbaarheid heeft dan rGO. De lagere geleidbaarheid is waarschijnlijk te wijten aan de verstrooiing van ladingen op de metalen nanodeeltjes. De positieve dotering kan worden toegeschreven aan de overdracht van elektronen van het grafeenoxide naar het metaalzout tijdens de vorming van de gouden nanodeeltjes, zoals werd bevestigd door Raman-spectroscopie-experimenten.

Interessante resultaten vonden de onderzoekers toen ze de Au-rGO-lagen blootstelden aan verschillende gassen. In het geval van waterstofsulfide, een gas dat fungeert als elektronendonor, de geleidbaarheid van Au-rGO-lagen vertoonde een scherpe afname, wat wijst op de injectie van elektronen in de plaat, wat op zijn beurt leidt tot een lager aantal geleidende gaten. Deze huidige modulatie onder blootstelling aan waterstofsulfide is significant omdat ongemodificeerd grafeen gevoelig is voor oxiderende gassen zoals stikstofdioxide, maar niet voor giftige gassen zoals waterstofsulfide. De gevoeligheid is ook hoger wanneer gouden nanodeeltjes aanwezig zijn, omdat ze de injectie van extra gaten in het rGO-vlak mogelijk maken, wat resulteert in een hogere geleidbaarheid. De onderzoekers voerden ook aanvullende experimenten uit met met zilver versierde rGO, kwalitatief vergelijkbare resultaten opleveren.

De gevoeligheid van het met nanodeeltjes versierde materiaal kan worden afgesteld door het aantal aangehechte nanodeeltjes te wijzigen. "Dit werk is de eerste demonstratie van hoe de introductie van metalen nanodeeltjes zou kunnen leiden tot nieuwe detectiemogelijkheden in grafeen, ' zegt Tjoa.