science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers gebruiken grafeen kwantumstippen om vochtigheid en druk te detecteren

Vikas Berry, William H. Honstead hoogleraar chemische technologie, en zijn onderzoeksteam gebruiken grafeen-kwantumdots om op elektronentunneling gebaseerde meetapparatuur te verbeteren.

Het laatste onderzoek van een chemisch ingenieur van de Kansas State University kan helpen bij het verbeteren van vochtigheids- en druksensoren, vooral die welke in de ruimte worden gebruikt.

Vikas Berry, William H. Honstead hoogleraar chemische technologie, en zijn onderzoeksteam gebruiken grafeen-kwantumdots om detectieapparaten te verbeteren in een tweeledig project. Het eerste deel omvat het produceren van de grafeen-kwantumdots, dat zijn ultrakleine stukjes grafeen. Grafeen is een laag koolstofatomen met een dikte van één atoom en heeft superieure elektrische, mechanische en optische eigenschappen. Het tweede deel van het project omvat het incorporeren van deze kwantumdots in op elektronentunneling gebaseerde meetapparatuur.

Om de grafeen quantum dots te maken, de onderzoekers gebruikten nanoschaal snijden van grafiet om grafeen nanoribbons te produceren. TS Sreeprasad, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Berry, deze linten chemisch gesplitst in laterale afmetingen van 100 nanometer.

De wetenschappers assembleerden de kwantumstippen tot een netwerk op een hydroscopische microvezel die aan beide zijden aan elektroden was bevestigd. Ze plaatsten de geassembleerde kwantumstippen minder dan een nanometer uit elkaar, zodat ze niet volledig met elkaar verbonden waren. Het samenstellen van stippen is vergelijkbaar met een maïskolfstructuur - de maïskorrels zijn kwantumstippen op nanoschaal en de kolf is de microvezel.

Verschillende onderzoekers, waaronder vier alumni uit 2012 in chemische technologie:Augustus Graham, Alfredo A. Rodriguez, Jonathan Colston en Evgeniy Shishkin - pasten een potentiaal toe over de vezel en controleerden de afstand tussen de kwantumstippen door de lokale vochtigheid aan te passen, die de stroom die door de stippen vloeit verandert.

"Als u de luchtvochtigheid rond dit apparaat verlaagt, het water dat door deze vezel wordt vastgehouden, gaat verloren, "Zei Berry. "Als gevolg daarvan, de vezel krimpt en de grafenische componenten die er bovenop zitten, komen dicht bij elkaar op nanometerschaal. Dit verhoogt het elektronentransport van de ene stip naar de andere. Alleen al door de stroming te lezen, kun je de vochtigheid in de omgeving zien."

Door de afstand tussen de grafeen-kwantumdots met 0,35 nanometer te verkleinen, nam de geleidbaarheid van het apparaat met een factor 43 toe, zei Berry. Verder, omdat lucht water bevat, het verminderen van de luchtdruk verminderde het watergehalte en zorgde ervoor dat de grafeenquantumdots dichter bij elkaar kwamen, wat de geleidbaarheid vergroot. Kwantummechanica suggereert dat elektronen een eindige kans hebben om van een elektrode naar een niet-verbonden elektrode te tunnelen, zei Berry. Deze kans is omgekeerd en exponentieel evenredig met de tunnelafstand, of de opening tussen de elektroden.

Het onderzoek kent tal van toepassingen, vooral bij het verbeteren van sensoren voor vochtigheid, druk of temperatuur.

"Deze apparaten zijn uniek omdat, in tegenstelling tot de meeste vochtigheidssensoren, deze reageren beter in vacuüm, "Zei Berry. "Bijvoorbeeld, deze apparaten kunnen worden ingebouwd in spaceshuttles, waar lage vochtigheidsmetingen vereist zijn. Deze sensoren kunnen mogelijk ook sporen van water op Mars detecteren, die 1/100ste van de atmosferische druk van de aarde heeft. Dit komt omdat het apparaat de luchtvochtigheid in vacuüm met een veel hogere resolutie meet."

Terwijl het hart van het apparaat de modulatie van elektronentunneling is, de reactie van het apparaat is via de polymeermicrovezel, zei Berry. Zijn team kijkt ook naar het veranderen van het polymeer om andere toepassingen voor dit onderzoek te vinden.

"Als je dit polymeer vervangt door een polymeer dat reageert op andere stimuli, je kunt een ander soort sensor maken, "Zei Berry. "Ik stel me voor dat dit project een brede impact zal hebben op het voelen."

Het onderzoek wordt ondersteund door Berry's vijfjarige, $400, 000 National Science Foundation CAREER-prijs. De onderzoeksresultaten verschijnen in een recent nummer van het tijdschrift Nano-letters in een artikel getiteld "Electron-tunneling modulation in percolating-netwerk van grafeen quantum dots:fabricage, fenomenologisch begrip, en vochtigheids-/drukdetectietoepassingen."

Het onderzoeksteam van Berry bestudeert ook moleculaire machines die zijn gekoppeld aan grafeen. In dit werk, de onderzoekers kunnen de moleculen mechanisch aansturen, die een verandering ondergaan in het elektrische veld om hen heen en de dragerdichtheid van het gekoppelde grafeen beïnvloeden. Dit werk zal in een volgende uitgave van het tijdschrift verschijnen Klein in een artikel met de titel "Covalente functionalisering van dipoolmodulerende moleculen op drielaags grafeen:een weg voor grafeen-gekoppelde moleculaire machines."

De onderzoekers hebben ontdekt dat grafeen gevoelig reageert op moleculaire beweging. Phong Nguyen, een doctoraatsstudent in chemische technologie en hoofdauteur van het werk, vastgebonden aandrijvende moleculen op grafeen en de reactie van het apparaat gemeten.

"De volgende fase van de wetenschap voorbij nanotechnologie zal moleculaire technologie zijn, "Zei Berry. "We werken aan het ontwikkelen van routes om moleculaire machines in apparaten op te nemen."