21.03.2022 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

In ein Kohlenstoffmolekularsieb integrierter Graphen-Sensor

Neues Paradigma in der atmosphärischen Gassensorik und molekularen Identifizierung

Graphen, eine atomar dicke Kohlenstoffschicht, hat aufgrund seiner Empfindlichkeit für einzelne Moleküle, seines geringen Rauschens und seiner hohen Ladungsträgerdichte immense Anwendungsmöglichkeiten in Gassensoren gefunden. Die viel gepriesene Empfindlichkeit von Graphen bedeutet jedoch auch, dass es von Natur aus nicht selektiv für jedes Gas ist. Daher kommt es leicht zu einer enormen p-Dotierung (Verringerung der Elektronendichte von Graphen), wenn es atmosphärischer Luft ausgesetzt wird, was die Demonstration seiner Selektivität auf inerte Umgebungen wie trockene Luft oder Stickstoff beschränkt. Für die tatsächliche Kommerzialisierung von Graphen in Anwendungen wie der Umweltüberwachung oder klinischen Atem-/Hautgassensoren ist jedoch eine atmosphärische Exposition erforderlich. Dies hat den Wunsch nach einer gleichzeitigen atmosphärischen Passivierung und einer schnellen und selektiven Gassensorik in Graphen hervorgerufen. Gängige Methoden zur Erzeugung von Selektivität beinhalten in der Regel Polymerbeschichtungen auf Graphen. Dieser Ansatz verändert jedoch die intrinsischen Eigenschaften von Graphen, während immer noch erhebliche Teile des Graphenkanals der atmosphärischen Dotierung ausgesetzt sind.

Um eine gleichzeitige atmosphärische Passivierung und selektive Gassensorik in Graphen zu erreichen, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Manoharan Muruganathan (Senior Lecturer) und Professor Hiroshi Mizuta am Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Hisashi Maki, Masashi Hattori und Kenichi Shimomai einen nano-porösen, mit Aktivkohle funktionalisierten Graphenkanal.

Der mit Aktivkohle funktionalisierte CVD (Chemical vapor deposition)-Graphenkanal wurde durch Pyrolyse eines postlithographischen Novolac-Harzpolymers gewonnen, so die Forscher Dr. A. Osazuwa Gabriel und Dr. R. Sankar Ganesh. Aufgrund der ähnlichen Arbeitsfunktion zwischen Aktivkohle und Graphen bleiben die elektronischen Eigenschaften des CVD-Graphen im Sensor erhalten, wobei die atmosphärische Dotierung selbst nach 40 Minuten atmosphärischer Einwirkung vernachlässigbar ist. Darüber hinaus definiert die oxidierte Aktivkohle-Graphen-Grenzfläche selektive Adsorptionsstellen für Ammoniak, was bei Raumtemperatur zu einer Ammoniak-Empfindlichkeit im einstelligen ppb-Bereich (parts per billion) in atmosphärischer Luft mit einer Ansprechzeit von wenigen Sekunden führt. Folglich wurde die Funktionalität eines Molekularsiebs in atmosphärischer Luft realisiert.

Mit demselben Sensor demonstrierten sie auch eine neue molekulare Identifizierungstechnik, die Ladungsneutralitätspunkt-Disparitätsmethode, die die vom elektrischen Feld abhängigen Ladungstransfereigenschaften adsorbierter Gase auf dem Graphenkanal nutzt. Die extreme Selektivität von Ammoniak, die atmosphärische Passivierung sowie die einfache und skalierbare lithografische Herstellung dieses Sensors machen ihn für klinische und Umweltsensoranwendungen geeignet. "Diese Ergebnisse führen Graphen-Gassensoren von Demonstrationen in kontrollierten Umgebungen zu tatsächlichen atmosphärischen Anwendungen und eröffnen eine neue Perspektive in der Gassensorik auf Graphenbasis", sagt der Forschungsmitarbeiter Masashi Hattori, Manager, TAIYO YUDEN CO, LTD.

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