Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Ученые создали высокочувствительные датчики на базе чистого графена
Как показали в своей последней работе ученые из США и Кореи, графен может использоваться для создания высокочувствительных газовых и химических датчиков. Правда, возможно это, только если углеродный материал содержит дефекты кристаллической решетки. Стоит отметить, что в рамках своих исследований ученые обнаружили один интересный факт: оказалось, что графен, не содержащий дефектов, ведет себя точно так же, как «дефектный», если он помещен на подложку с внешними дефектами.
Схематическое изображение двух ситуаций, рассмотренных на эксперименте.
Графен представляет собой двумерные листы атомов углерода, расположенных в узлах гексагональной кристаллической решетки.
Благодаря высокой площади поверхности этот материал может быть использован для обнаружения адсорбированных на ней отдельных молекул газа. При этом по сравнению с другими веществами графен может «почувствовать» гораздо большее число химических веществ и биомаркеров за счет высокой подвижности свободных зарядов (которая может варьироваться в пределах от 2500 до 40000 кв.см/В*с).
В предыдущей работе команда ученых из University of Illinois (США) показала, что на основе графена можно построить датчики, фиксирующие даже одну молекулу газа, но только при условии, что этот материал содержит внутренние дефекты.
Таким образом,
обнаруженная теперь совместно с коллегами из Korea Research Institute of Standards and Science и Seoul National University (Корея) возможность строить такие электронные устройства, как химические полевые транзисторы или высокочувствительные газовые анализаторы, на «чистом» графене стала неожиданностью.
В своей новой работе ученые исследовали графен, полученный методом механического отслаивания.
Этот метод, позволяющий производить практически бездефектные фрагменты графена, впервые был применен для производства данного материала в 2004 году.
В рамках своей работы ученые изучали поведение как самостоятельных графеновых датчиков, так и датчиков размещенных на чистых (бездефектных) поверхностях. В рамках эксперимента графеновые устройства подвергались воздействию известных молекул, в ходе которого записывалось изменение тока, проходящего через образцы. Чувствительность каждого датчика определялась отношением изменения тока к его первоначальному значению.
Было обнаружено, что
датчики из чистого графена (как самостоятельные, так и размещенные на бездефектной поверхности оксида кремния) нечувствительны к молекулам газа. Однако датчики, построенные на основе подложки из оксида кремния с внешними дефектами, показали сильный отклик на воздействие со стороны молекул газа.
Как считают ученые, дефектная подложка в этом случае моделирует электронные свойства графена, и, следовательно, устройство на основе чистого графена работает также, как устройство на базе материала с «откорректированными» при помощи легирования свойствами. Таким образом,
ученые сделали вывод о том, что графен нуждается либо во внутренних дефектах, либо во внешних дефектах на поверхности подложки, чтобы использоваться в качестве инструмента для детектирования газа.
Как считает научная группа, способность контролировать электронные свойства графена, используя внешние дефекты подложки, в будущем будет очень востребована при проектировании датчиков и других электронных устройств на базе этого удивительного материала. Сейчас команда работает над исследованием того, как плотность и тип дефектов подложки модулирует свойства химического датчика.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.
Схематическое изображение двух ситуаций, рассмотренных на эксперименте.