內布拉斯加大學林肯分校的一項新研究稱: 將類似DNA形狀的碳帶固定在氣體感測器上可以提高其感測靈敏度, 遠遠優於所有已知的碳材料.
該團隊開發出某種由石墨烯製成的新形式納米帶, 其中石墨烯結構是碳原子組成的二維蜂窩體. 當研究人員將納米帶構成的薄膜整合到氣體感測器電路中時, 與原感測器(甚至是具有最佳性能的碳基材料)相比, 帶有納米帶薄膜的感測器對分子的響應大約高出100倍.
內布拉斯加州化學副教授Alexander Sinitskii講到: 之前研究過基於其他碳基材料的感測器, 如石墨烯和氧化石墨烯. 在基於石墨烯納米帶的感測器測試中, 我們猜測到會觀察到感測器的響應, 但出乎意料的是比之前任何時候都靈敏.
研究者在《自然通訊》雜誌上發表的研究結果認為: 氣體分子可以顯著改變納米帶薄膜的電阻. 不同的氣體具備獨特的電阻特徵, 這就使得感測器對不同氣體進行區分.
內布拉斯加州材料與納米科學中心的成員Sinitskii講: '晶片上存在多個感測器, 足以區分幾乎具有相同化學性質的分子, 譬如甲醇和乙醇. 因而類似基於石墨烯納米帶的感測器不僅敏感性高, 而且具有選擇性' .
所示渲染圖顯示氣體分子擴大了石墨烯納米帶之間的間距. 內布拉斯加州的Alexander Sinitskii及其同事們提出: 該現象一定程度上解釋了納米色帶如何使感測器的靈敏度有了前所未有的提升.
圖片來源: 內布拉斯加大學林肯分校
Sinitskii與同事預測, 納米帶的非凡性能部分源於納米帶和氣體分子之間的不尋常相互作用. 與之前的石墨烯實驗材料不同, 團隊的納米帶排列類似於Charlie Brown的襯衫條紋, 垂直向下取代水平分布. 該團隊提出, 氣體分子可以將這些條紋分開, 有效地延長了納米帶間隙, 電子必須跳過這些條紋才能導電.
苯環的進入
石墨烯於2004年被發現, 並榮獲諾貝爾獎, 擁有無可比擬的導電性. 但鑒於石墨烯材料帶隙的缺乏(帶隙要求電子在受到電導率驅動從原子附近的軌道跳躍到外部 '傳導帶' 之前獲得能量)使研究人員不能控制其導電性大小. 這恰恰就對石墨烯應用(需要調節材料電導率的電子學領域)構成挑戰.
潛在的解決方案是將片狀石墨烯修剪成納米尺度的色帶, 計算機類比構建難以捕捉的帶隙. 這證明石墨烯的難以保留屬性與其所需原子精度密切相關, 因此研究人員通過從下到上在特定類型的固體表面上, 針對性地將分子捕捉聚集開始製作絲帶. 雖然此過程奏效, 而且由此產生的色帶確實存在帶隙, 但此過程限制研究人員單次僅僅製作極少的絲帶.
2014年, Sinitskii開創了一種可以在溶液中大規模生產納米帶的方法, 這是擴大電子應用技術的關鍵一步. 但是這些在溶液中製成的納米帶薄膜的導電性並非特別好, 難以進行電子方面的測量. 團隊的最新研究通過在第一代納米帶的任一側添加苯環(具有六個碳原子和氫原子的環狀分子)來適應原始的化學方法. 這些苯環加寬了色帶, 減少了帶隙, 提高了納米帶薄膜的導電能力.
Sinitskii說道: '人們通常不會將石墨烯納米帶作為感測材料. 然而與納米帶有類似性質的材料諸如晶體管等器件 (具有可以將電導率提升幾個數量級的能力) , 同樣適合應用到感測器中' .
目前人們可以設計出許多不同種類, 具有不同特性的石墨烯納米帶, 迄今為止, 實驗證明的還只是少數類型. 但人們對於那些尚未合成的納米帶, 存在著諸多有趣的理論假設, 所以新的納米帶很可能具備更好的感測器特性.