殘次石墨烯可造超靈敏“電子鼻”
2014年09月24日 15:22 2562次瀏覽 來源： 科技日報 分類： 新材料前沿
美國伊利諾伊大學芝加哥分校的科學家日前開發(fā)出一種能夠分辨出單個氣體分子的超高靈敏度“電子鼻”。這種新型氣體傳感器對氣體分子的吸收能力比傳統(tǒng)化學傳感器強300倍。
讓人不可思議的是，用來制造這種高靈敏度“電子鼻”的材料竟是此前被認為殘次品的、存在缺陷的石墨烯。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·通信》雜志網(wǎng)站上。
在制造石墨烯的過程中，石墨烯逐漸形成晶格或片狀時，會隨機出現(xiàn)一些單晶顆粒。這種多晶結(jié)構(gòu)與單晶之間的邊界被稱為晶界。由于晶界會造成電子的散射，削弱石墨烯晶格的性能，具有晶界的石墨烯通常都被認為是毫無價值的次品。但美國伊利諾伊大學芝加哥分校機械和工業(yè)工程教授阿明·薩利希-空錦帶領(lǐng)的研究小組卻發(fā)現(xiàn)，這些缺陷正好適合用來制造高靈敏度氣體傳感器。
物理學家組織網(wǎng)9月23日（北京時間）報道稱，為了驗證這一想法，測試石墨烯缺陷的電氣性能，研究人員用單個石墨烯晶界制造了一個微米尺寸的氣體傳感器。他們在測試中發(fā)現(xiàn)，石墨烯晶界能夠?qū)怏w分子吸附到其表面并讓它們聚集起來，石墨烯晶體上卻沒有這樣的現(xiàn)象。這使具有這種缺陷的石墨烯成為觀測氣體分子的理想場所。
由切赫·克拉爾帶領(lǐng)伊利諾伊大學芝加哥分校的一個理論化學小組，對該晶界所具備的這種獨特吸引力和電子特性進行了解釋：晶界的不規(guī)則特性使其具備了數(shù)百個不同靈敏度的電子傳輸間隙。這就像是許多平行的并聯(lián)開關(guān)，當氣體分子在晶界上發(fā)生聚集，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移時，這些開關(guān)會突然打開或者關(guān)閉。這一切都發(fā)生在一個非常短暫的時間當中。而這便是用其制成的氣體傳感器能夠具備超高靈敏度的原因所在。
薩利希-空錦說：“數(shù)十年來科學家們一直試圖制造出一種強大的、具有超高靈敏度的傳感器。我們的研究將其變成了現(xiàn)實，可以在微米級的尺寸上將這些晶界集成起來進行統(tǒng)一控制。使用這種技術(shù)能很容易制造出芯片級的傳感器陣列。借助晶界對氣體分子超強的吸附能力和快速反應(yīng)能力，用石墨烯晶界陣列制成的電子鼻甚至能夠檢測出單個氣體分子。這種材料集精確和可靠于一身，是制造氣體傳感器的理想材料。”
責任編輯：淮金
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