Ultraschallempfindliche Sensoren aus mit Bor dotiertem Graphen | 2020

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Anonim

Graphen ist bekannt für seine bemerkenswerte Stärke und Fähigkeit, Elektronen mit hoher Geschwindigkeit zu transportieren, aber es ist auch ein hochempfindlicher Gassensor. Durch die Zugabe von Boratomen konnten die Bor-Graphen- (BG) -Sensoren Schadgasmoleküle in extrem niedrigen Konzentrationen nachweisen, Teile pro Milliarde bei Stickoxiden und Teile pro Million bei Ammoniak, den beiden bisher getesteten Gasen. Dies bedeutet eine 27-mal höhere Empfindlichkeit gegenüber NOx und eine 105-mal höhere Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak im Vergleich zu unberührtem Graphen. Die Forscher glauben, diese Ergebnisse, berichtet in der aktuellen Ausgabe des Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften eröffnet den Weg zu Hochleistungssensoren, die Spurenmengen vieler anderer Moleküle erfassen können.

"Dies ist ein Projekt, das wir seit vier Jahren verfolgen. Bisher konnten wir Graphen mit Stickstoffatomen dotieren, Bor erwies sich jedoch als viel schwieriger", sagte Mauricio Terrones, Professor für Physik, Chemie und Materialwissenschaften bei Penn State und dem entsprechenden Autor der Zeitung. "Sobald wir in der Lage waren, das zu synthetisieren, was wir für Borgraphen hielten, haben wir mit Experten in den USA und auf der ganzen Welt zusammengearbeitet, um unsere Forschung zu bestätigen und die Eigenschaften unseres Materials zu testen."

Sowohl Bor als auch Stickstoff liegen neben Kohlenstoff im Periodensystem, was ihre Substitution möglich macht. Borverbindungen sind jedoch sehr luftempfindlich und zersetzen sich schnell, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt werden. Ein-Zentimeter-Quadrat-Bögen wurden bei Penn State in einem einzigartigen, durch Bubbler unterstützten chemischen Gasphasenabscheidungssystem synthetisiert. Das Ergebnis waren großflächige, hochwertige B-dotierte Graphenplatten.

Nach der Herstellung wurden die BG-Proben an das Honda Research Institute USA Inc. in Columbus, OH, gesendet, das die Proben mit ihren eigenen hochempfindlichen Gassensoren testete. Das Novoselov-Labor an der Universität von Manchester (Großbritannien) untersuchte den Transportmechanismus der Sensoren. Theoretiker in den USA und Belgien haben die STM-Bilder mit experimentellen Bildern abgeglichen und das Vorhandensein der Boratome im Graphengitter und deren Wirkung bei der Wechselwirkung mit Ammoniak- oder Stickoxidmolekülen bestätigt. Kollaborateure in Japan und China leisteten ebenfalls einen Beitrag zur Forschung.

"Diese multidisziplinäre Forschung eröffnet einen neuen Weg für die weitere Erforschung ultrasensitiver Gassensoren", sagte Dr. Avetik Harutyunyan, Chefwissenschaftler und Projektleiter des Honda Research Institute USA Inc. "Unser Ansatz kombiniert neuartige Nanomaterialien mit kontinuierlicher UV-Lichtstrahlung in den Sensordesigns Wir glauben, dass die Weiterentwicklung dieser Technologie die Nachweisgrenze für Teile pro Billiarde (PPQ) durchbrechen kann, die bis zu sechs Größenordnungen beträgt Bessere Empfindlichkeit als aktuelle Sensoren nach dem neuesten Stand der Technik. "

Diese Sensoren können in Labors und in der Industrie eingesetzt werden, in denen Ammoniak, ein stark ätzendes Gesundheitsrisiko, oder NOx, ein gefährlicher Luftschadstoff, der aus Auspuffrohren von Kraftfahrzeugen austritt, verwendet wird. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass mit Bor dotiertes Graphen nicht nur giftige oder entzündliche Gase nachweisen kann, sondern auch zu verbesserten Lithium-Ionen-Batterien und Feldeffekttransistoren führen kann.

Die Hauptautoren des PNAS-Papiers "Ultrasensitive Gasdetektion von großflächigem bor-dotiertem Graphen" sind Ruitao Lv, ein ehemaliger Postdoktorand im Terrones-Labor, das jetzt an der Tsinghua-Universität in Peking, China, arbeitet. Gugang Chen, ein leitender Wissenschaftler des Honda Research Institute USA Inc .; Andrés Botello-Méndez, Katholische Universität Louvain la-Neuve; und Amber McCreary, eine Doktorandin in Terrones Labor.

Unterstützung für diese Arbeit leisteten die National Natural Science Foundation in China, MURI-Auszeichnungen des US-Luftwaffenamts für wissenschaftliche Forschung, des Honda Research Institute USA Inc., des Graphen-Flaggschiffs in Europa, und des Penn State Center for Nanoscale Science, einer National Science Foundation MRSEC und Penn State Materials Research Institute.