殘次石墨烯可造超靈敏“電子鼻”

    美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的科學(xué)家日前開發(fā)出一種能夠分辨出單個(gè)氣體分子的超高靈敏度“電子鼻”。這種新型氣體傳感器對(duì)氣體分子的吸收能力比傳統(tǒng)化學(xué)傳感器強(qiáng)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(rèn)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(shí)，會(huì)隨機(jī)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(huì)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(rèn)為是毫無價(jià)值的次品。但美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校機(jī)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(xué)家組織網(wǎng)9月23日（北京時(shí)間）報(bào)道稱，為了驗(yàn)證這一想法，測(cè)試石墨烯缺陷的電氣性能，研究人員用單個(gè)石墨烯晶界制造了一個(gè)微米尺寸的氣體傳感器。他們?cè)跍y(cè)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(cè)氣體分子的理想場(chǎng)所。

    由切赫·克拉爾帶領(lǐng)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的一個(gè)理論化學(xué)小組，對(duì)該晶界所具備的這種獨(dú)特吸引力和電子特性進(jìn)行了解釋：晶界的不規(guī)則特性使其具備了數(shù)百個(gè)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(dāng)氣體分子在晶界上發(fā)生聚集，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，這些開關(guān)會(huì)突然打開或者關(guān)閉。這一切都發(fā)生在一個(gè)非常短暫的時(shí)間當(dāng)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(xué)家們一直試圖制造出一種強(qiáng)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(shí)，可以在微米級(jí)的尺寸上將這些晶界集成起來進(jìn)行統(tǒng)一控制。使用這種技術(shù)能很容易制造出芯片級(jí)的傳感器陣列。借助晶界對(duì)氣體分子超強(qiáng)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(cè)出單個(gè)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。”