Nieuw paradigma in atmosferische gasdetectie en moleculaire identificatie

Grafeen, een atomaire dikke laag koolstof, heeft enorme toepassingen gevonden in gassensoren vanwege de gevoeligheid voor één molecuul, het lage geluidsniveau en de hoge dragerdichtheid. De veelgeprezen gevoeligheid van grafeen betekent echter ook dat het inherent niet-selectief is voor welk gas dan ook. Daarom krijgt het gemakkelijk enorme p-doping (vermindering van de elektronendichtheid van grafeen) wanneer het wordt blootgesteld aan atmosferische lucht, wat de demonstratie van zijn selectiviteit beperkt tot alleen inerte omgevingen zoals droge lucht of stikstof.

Desalniettemin is voor de daadwerkelijke commercialisering van grafeen in toepassingen zoals omgevingsmonitoring of adem-/huidgas klinische sensoren blootstelling aan de atmosfeer vereist. Dit heeft de wens noodzakelijk gemaakt om gelijktijdige atmosferische passivering en hoge snelheid en selectieve gasdetectie in grafeen te bereiken. Gebruikelijke methoden om selectiviteit te induceren, omvatten typisch polymeercoatings op grafeen. Deze benadering verandert echter de intrinsieke kenmerken van grafeen, terwijl belangrijke delen van het grafeenkanaal nog steeds worden blootgesteld aan atmosferische doping.

Om gelijktijdige atmosferische passivering en selectieve gasdetectie in grafeen te bereiken, ontwikkelde een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Manoharan Muruganathan (Hoofddocent) en Professor Hiroshi Mizuta van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) een nanoporeuze geactiveerde koolstofgefunctionaliseerd grafeenkanaal in samenwerking met industriële partners, de heer Hisashi Maki, de heer Masashi Hattori, de heer Kenichi Shimomai.

Het met actieve kool gefunctionaliseerde chemische dampafzetting (CVD)-grafeenkanaal (Figuur 1) werd verkregen via pyrolyse van een postlithografisch Novolac-harspolymeer, zeggen de onderzoekers Dr. A. Osazuwa Gabriel en Dr. R. Sankar Ganesh. Vanwege de vergelijkbare werkfunctie tussen de actieve kool en grafeen, blijven de elektronische kenmerken van het CVD-grafeen in de sensor behouden, met verwaarloosbare atmosferische doping, zelfs na 40 minuten atmosferische blootstelling. Bovendien definieert het grensvlak van geoxideerde actieve kool en grafeen selectieve adsorptieplaatsen voor ammoniak, wat resulteert in een ammoniakgevoeligheid bij kamertemperatuur van enkelcijferige delen per miljard (ppb) in atmosferische lucht met een responstijd van enkele seconden. Bijgevolg werd moleculaire zeeffunctionaliteit in atmosferische lucht gerealiseerd.

Met dezelfde sensor demonstreerden ze ook een nieuwe moleculaire identificatietechniek, de ladingsneutraliteitspuntdispariteitsmethode, die gebruikmaakt van de elektrisch-veldafhankelijke ladingsoverdrachtskarakteristieken van geadsorbeerde gassen op het grafeenkanaal. De extreme ammoniakselectiviteit, atmosferische passivering en gemakkelijke en schaalbare lithografische fabricage van deze sensor maken hem geschikt voor klinische en omgevingssensortoepassingen. “Deze resultaten brengen grafeengassensoren van demonstraties in gecontroleerde omgevingen tot daadwerkelijke atmosferische toepassingen, wat een nieuw perspectief opent in op grafeen gebaseerde gasdetectie”, zegt onderzoeksmedewerker Masashi Hattori.