Onderzoekers hebben een manier ontdekt om een ​​zeer gevoelige chemische sensor te maken op basis van de kristallijne gebreken in grafeenplaten. De onvolkomenheden hebben unieke elektronische eigenschappen die de onderzoekers konden benutten om de gevoeligheid voor geabsorbeerde gasmoleculen 300 keer te verhogen.

Het onderzoek is online beschikbaar voordat het gedrukt wordt in Natuurcommunicatie .

Amin Salehi- Khojin, adjunct-hoogleraar werktuigbouwkunde en industriële techniek in het lab bij Mohammad Asadi, afgestudeerde student en Bijandra Kumar, post doc waar ze onderzoek doen naar grafeensensoren. Foto:Roberta Dupuis-Devlin/UIC Photo Services

Wanneer een grafeenrooster of -plaat wordt gevormd, de polykristallijne structuur heeft willekeurige grenzen tussen de monokristallijne korrels. De eigenschappen van het rooster worden aanzienlijk beïnvloed door deze "korrelgrenzen, " zei Amin Salehi-Khojin, UIC-assistent-professor mechanische en industriële techniek en hoofdonderzoeker van het onderzoek.

In veel toepassingen, korrelgrenzen worden als fouten beschouwd omdat ze elektronen verstrooien en het rooster kunnen verzwakken. Maar Salehi-Khojin en zijn collega's toonden aan dat deze onvolkomenheden belangrijk zijn voor de werking van op grafeen gebaseerde gassensoren. Ze creëerden een micron-formaat, individuele grafeenkorrelgrens om de elektronische eigenschappen ervan te onderzoeken en de rol ervan in gasdetectie te bestuderen.

Hun eerste ontdekking was dat gasmoleculen worden aangetrokken door de korrelgrens en zich daar ophopen, in plaats van op het grafeenkristal, waardoor het de ideale plek is voor het waarnemen van gasmoleculen. De elektrische eigenschappen van een korrelgrens trekken moleculen naar het oppervlak.

Een theoretische scheikundegroep bij UIC, onder leiding van Petr Kral, was in staat om deze aantrekkingskracht en aanvullende elektronische eigenschappen van de korrelgrens te verklaren. De onregelmatige aard van de korrelgrens produceert honderden elektronentransporthiaten met verschillende gevoeligheden.

"Het is alsof we meerdere schakelaars parallel hebben, " zei afgestudeerde student Poya Yasaei, eerste auteur op papier. "Gasmoleculen hopen zich op op de korrelgrens; er is een ladingsoverdracht; en, omdat deze kanalen allemaal parallel lopen, alle kanalen gaan abrupt open of dicht. We zien een zeer scherpe reactie."

Onderzoekers proberen al tientallen jaren een zeer gevoelige en robuuste sensor te ontwikkelen, zei UIC postdoctoraal fellow Bijandra Kumar, een co-auteur op het papier.

"We kunnen deze korrelgrenzen op een micrometerschaal op een gecontroleerde manier synthetiseren, "Zei Kumar. "We kunnen gemakkelijk sensorarrays op chipschaal fabriceren met behulp van deze korrelgrenzen voor gebruik in de echte wereld."

Salehi-Khojin zei dat het mogelijk moet zijn om de elektronische eigenschappen van grafeenkorrelgrensarrays te "tunen" met behulp van gecontroleerde doping om een ​​vingerafdrukrespons te verkrijgen - en zo een betrouwbare en stabiele "elektronische neus" te creëren.

Met de sterke aantrekkingskracht van de korrelgrens voor gasmoleculen en de buitengewoon scherpe reactie op elke ladingsoverdracht, zo'n elektronische neus zou zelfs een enkel gasmolecuul kunnen detecteren, Salehi-Khojin gelooft, en zou een ideale sensor zijn.