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新型石墨烯纳米带赋予传感器前所未有的灵敏度

导读: 据麦姆斯咨询报道,内布拉斯加大学林肯分校最新的一项研究指出,将DNA尺寸大小的碳带固定在气体传感器上可以提高其灵敏度,效果远优于其它任何现有碳材料。

据麦姆斯咨询报道,内布拉斯加大学林肯分校最新的一项研究指出,将DNA尺寸大小的碳带固定在气体传感器上可以提高其灵敏度,效果远优于其它任何现有碳材料。

团队开发了一种由石墨烯制成的新型纳米带,这是一个由碳原子构成的2D蜂巢。当研究人员将纳米带薄膜集成到气体传感器的电路中去时,与过去的传感器,甚至是最佳性能的碳基材料相比,它对分子的响应灵敏度高出了100倍。

内布拉斯加大学林肯分校化学系的副教授Alexander Sinitskii表示,“我们以前也研究过其它碳基材料传感器,如石墨烯和氧化石墨烯。使用石墨烯纳米带,我们确定可以看到传感器的响应,但是我们没有预想到会比过去所看到的更高。”

研究人员在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上发表了研究结果,显示气体分子可以显著改变纳米带薄膜的电阻。不同的气体产生不同的电阻特征,帮助传感器在它们之间进行区分。

内布拉斯加州材料与纳米科学中心的一名成员Sinitskii表示,“一张芯片上有多个传感器,我们能够证明我们可以区分具有几乎相同化学性质的分子。例证如下,我们可以区分甲醇和乙醇,因此这些基于石墨烯纳米带的传感器不仅具有敏感性,还具有选择性。”

新型石墨烯纳米带赋予传感器前所未有的灵敏度

这张图片呈现了气体分子如何扩大团队石墨烯纳米带行与行之间的间隙。内布拉斯加州材料与纳米科学中心的AlexanderSinitskii及其同事已经提出这种现象部分地解释了纳米带如何为传感器提供前所未有的灵敏度

Sinitskii和他的同事怀疑纳米带的显著性能部分来源于纳米带和气体分子之间非同寻常的相互作用。不同于他们的前辈,该团队的纳米带排列整齐,类似于查理布朗的条纹衬衫般垂直放置,而不是平躺在表面。该团队指出,气体分子可以将这些行列分开,有效地延长了纳米带之间的间隙,帮助电子跳跃到导电区。

加入(苯)环

新型石墨烯纳米带赋予传感器前所未有的灵敏度

石墨烯纳米带纳米薄膜

石墨烯中2004年被发现,并最终获得诺贝尔奖,其拥有无与伦比的导电性。但是该材料缺乏带隙,电子从原子周围的轨道跳跃到驱动电导率的外部“导带”之前需要获取能量,最初阶段石墨烯因其电导率过低给研究人员带来了不少阻碍。相应地,对石墨烯应用在需要任意调节材料电导率的电子学领域也提出了挑战。

一个潜在的解决方案是将石墨烯修剪为纳米带,通过计算机模拟出难以拥有的带隙。上述方案通过实验被证明是具有难度的,为了保留石墨烯吸引人的特性,会对原子精度有要求,因此研究人员开始自下而上制备纳米带,战略性地将分子聚合到某种类型的固体表面上。虽然这一过程解决了问题,而且由此产生的纳米带确实有了带隙,但是研究人员一次制成的纳米带数量有限。

2014年,Sinitskii开创了一种液体解决方案,可以大批量生产纳米带,这是扩大该技术应用于电子领域的关键一步。但是用这些纳米带制成的薄膜导电性不足,无法进行电气测量。

该团队的最新研究采用了最原始的化学方法,在第一代纳米带的任意一侧加入苯环(具有六个碳原子和氢原子的环状分子)。这些圆环加宽了纳米带,减小了带隙,并提高了导电能力。

Sinitskii说道,“人们通常不会想到把石墨烯纳米带用作传感器材料,然而,相同(性质)使得纳米带对诸如晶体管这类的器件有好处,将其导电率提高几个数量级也对传感器有好处。”

“未来有可能会设计出许多不同种类,又具有不同特性的石墨烯纳米带。目前只有几种类型的纳米带已经通过实验验证,但是化学家对尚未合成的纳米带有许多有趣的理论推测。因此,不久的将来研究人员有望开发出具有更佳特性的新型纳米带,伴随更好的传感器特性来到大家面前。”

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