内布拉斯加大学林肯分校的一项新研究称: 将类似DNA形状的碳带固定在气体传感器上可以提高其传感灵敏度, 远远优于所有已知的碳材料.
该团队开发出某种由石墨烯制成的新形式纳米带, 其中石墨烯结构是碳原子组成的二维蜂窝体. 当研究人员将纳米带构成的薄膜集成到气体传感器电路中时, 与原传感器(甚至是具有最佳性能的碳基材料)相比, 带有纳米带薄膜的传感器对分子的响应大约高出100倍.
内布拉斯加州化学副教授Alexander Sinitskii讲到: 之前研究过基于其他碳基材料的传感器, 如石墨烯和氧化石墨烯. 在基于石墨烯纳米带的传感器测试中, 我们猜测到会观察到传感器的响应, 但出乎意料的是比之前任何时候都灵敏.
研究者在《自然通讯》杂志上发表的研究结果认为: 气体分子可以显着改变纳米带薄膜的电阻. 不同的气体具备独特的电阻特征, 这就使得传感器对不同气体进行区分.
内布拉斯加州材料与纳米科学中心的成员Sinitskii讲: '芯片上存在多个传感器, 足以区分几乎具有相同化学性质的分子, 譬如甲醇和乙醇. 因而类似基于石墨烯纳米带的传感器不仅敏感性高, 而且具有选择性' .
所示渲染图显示气体分子扩大了石墨烯纳米带之间的间距. 内布拉斯加州的Alexander Sinitskii及其同事们提出: 该现象一定程度上解释了纳米色带如何使传感器的灵敏度有了前所未有的提升.
图片来源: 内布拉斯加大学林肯分校
Sinitskii与同事预测, 纳米带的非凡性能部分源于纳米带和气体分子之间的不寻常相互作用. 与之前的石墨烯实验材料不同, 团队的纳米带排列类似于Charlie Brown的衬衫条纹, 垂直向下取代水平分布. 该团队提出, 气体分子可以将这些条纹分开, 有效地延长了纳米带间隙, 电子必须跳过这些条纹才能导电.
苯环的进入
石墨烯于2004年被发现, 并荣获诺贝尔奖, 拥有无可比拟的导电性. 但鉴于石墨烯材料带隙的缺乏(带隙要求电子在受到电导率驱动从原子附近的轨道跳跃到外部 '传导带' 之前获得能量)使研究人员不能控制其导电性大小. 这恰恰就对石墨烯应用(需要调节材料电导率的电子学领域)构成挑战.
潜在的解决方案是将片状石墨烯修剪成纳米尺度的色带, 计算机模拟构建难以捕捉的带隙. 这证明石墨烯的难以保留属性与其所需原子精度密切相关, 因此研究人员通过从下到上在特定类型的固体表面上, 针对性地将分子捕捉聚集开始制作丝带. 虽然此过程奏效, 而且由此产生的色带确实存在带隙, 但此过程限制研究人员单次仅仅制作极少的丝带.
2014年, Sinitskii开创了一种可以在溶液中大规模生产纳米带的方法, 这是扩大电子应用技术的关键一步. 但是这些在溶液中制成的纳米带薄膜的导电性并非特别好, 难以进行电子方面的测量. 团队的最新研究通过在第一代纳米带的任一侧添加苯环(具有六个碳原子和氢原子的环状分子)来适应原始的化学方法. 这些苯环加宽了色带, 减少了带隙, 提高了纳米带薄膜的导电能力.
Sinitskii说道: '人们通常不会将石墨烯纳米带作为传感材料. 然而与纳米带有类似性质的材料诸如晶体管等器件 (具有可以将电导率提升几个数量级的能力) , 同样适合应用到传感器中' .
目前人们可以设计出许多不同种类, 具有不同特性的石墨烯纳米带, 迄今为止, 实验证明的还只是少数类型. 但人们对于那些尚未合成的纳米带, 存在着诸多有趣的理论假设, 所以新的纳米带很可能具备更好的传感器特性.