Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van het National Physical Laboratory (NPL) heeft nieuwe metingen uitgevoerd van de elektrische respons van grafeen op synthetische lucht, het blootleggen van een duidelijke kenniskloof die moet worden overbrugd voordat de op grafeen gebaseerde gassensoren op de markt worden gebracht.

Vroege gasdetectie is op veel gebieden cruciaal, inclusief milieubescherming, medische diagnose en landsverdediging. grafeen, het 'wondermateriaal' bestaande uit een tweedimensionale laag koolstofatomen, heeft veel aandacht getrokken voor zijn potentiële gasdetectietoepassingen.

Wanneer het oppervlak van grafeen wordt blootgesteld aan bepaalde chemicaliën, die chemicaliën doneren of onttrekken elektronen aan grafeen, een verandering in de elektrische weerstand veroorzaken. Grafeen is ongelooflijk gevoelig voor dit proces, in feite is het zo gevoelig dat slechts een enkele molecule stikstofdioxide een meetbare verandering kan veroorzaken. Een op grafeen gebaseerde gassensor zou deze elektrische veranderingen gebruiken om de beoogde chemische stof te detecteren.

Echter, het is niet zo eenvoudig. Gassensoren moeten worden blootgesteld aan de omgeving om de doelsoort te detecteren, maar grafeen is gevoelig voor zo'n grote verscheidenheid aan chemicaliën dat de elektrische weerstand aanzienlijk verandert in de omgevingslucht alleen. Dit maakt het moeilijk om onderscheid te maken tussen de veranderingen die worden veroorzaakt door het doelgas en die veroorzaakt door de natuurlijke omgeving.

In een nieuwe studie, een groep wetenschappers van NPL, Chalmers University of Technology en het US Naval Research Laboratory hebben een nieuwe techniek gebruikt om de effecten van omgevingslucht op grafeen in een gecontroleerde omgeving te onderzoeken om de reactie ervan te karakteriseren.

De onderzoekers onderzochten de effecten van stikstof, zuurstof, waterdamp en stikstofdioxide (in concentraties die typisch aanwezig zijn in de omgevingslucht) op epitaxiaal grafeen in een gecontroleerde omgevingskamer. Alle metingen werden gedaan bij NPL door toepassing van Kelvin-probekrachtmicroscopie terwijl tegelijkertijd transport- (weerstands)metingen werden uitgevoerd. Deze nieuwe combinatie gaf onderzoekers de unieke mogelijkheid om de lokale en globale elektronische eigenschappen met elkaar te verbinden, een taak die in het verleden moeilijk is gebleken.

De studie, gepubliceerd in 2D Materials, experimenteel aangetoond dat de combinatie van gebruikte gassen de effecten van omgevingslucht niet volledig repliceert; zelfs bij hogere concentraties dan die in de typische atmosfeer, er is een groot verschil in de reactie van grafeen. Dit resultaat is in tegenspraak met eerdere literatuur, die voornamelijk de veranderingen in de elektronische eigenschappen van grafeen aan deze gassen heeft toegeschreven. En het roept de vraag op:"Welke mysterieuze chemicaliën veroorzaken deze significante reactie?"

Het is duidelijk dat, terwijl op grafeen gebaseerde gassensoren een groot potentieel hebben, er is nog veel onderzoek te doen. Verder onderzoek is nodig om de ontbrekende schakel te vinden tussen de effecten die worden waargenomen in gecontroleerde laboratoria en de effecten die worden waargenomen in de omgevingslucht. Onderzoekers zijn ook geïnteresseerd in het bestuderen van methoden om de apparaten te optimaliseren door de gevoeligheid voor specifieke doelsoorten te verkleinen, zoals chemische functionalisering.