硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

神奇的石墨烯材料由強(qiáng)力束縛的碳原子二維點(diǎn)陣構(gòu)成。具有良好的強(qiáng)度并且可以接近光速的速度傳輸電子。石墨烯還可以被用作極其敏感的氣體傳感器。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

通過(guò)把硼摻雜到石墨烯二維晶格中，極低濃度的有毒氣體分子可被檢測(cè)到。

到目前為止，兩種氣體-氨氣和氮氧化物已經(jīng)過(guò)測(cè)試。氨氣主要危害健康，而由汽車(chē)尾氣排放氮氧化物是危害性的大氣污染物。

氮氧化物氣體分子可在十億分之幾的低濃度條件下被發(fā)現(xiàn)，氨氣分子可在百萬(wàn)分之一的濃度下被檢測(cè)。

與純石墨烯的檢測(cè)靈敏度相比，硼摻雜石墨烯傳感器對(duì)氨氣的敏感性高于其10000倍，對(duì)氮氧化物的敏感性高于其27倍。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

這項(xiàng)研究由來(lái)自六個(gè)不同國(guó)家的科學(xué)家合作完成。

據(jù)研究小組介紹，這項(xiàng)研究將為能夠感應(yīng)其他微量氣體分子的先進(jìn)高性能傳感器鋪平道路。

“這是我們?cè)谶^(guò)去四年一直研究的項(xiàng)目。之前，我們能夠利用氮原子摻雜石墨烯，但硼摻雜被證明是更加困難的。一旦能夠合成所認(rèn)為的硼石墨烯，我們會(huì)與美國(guó)和世界各地的專家合作來(lái)確認(rèn)我們的研究并測(cè)試材料的性質(zhì)，”賓夕法尼亞州立大學(xué)Mauricio Terrones教授說(shuō)。

在元素周期表中，氮和硼與碳相鄰，它們具有相似的原子半徑。這使得用氮和硼替代碳原子成為可能。然而，硼化合物具有高度活性，意味著它們對(duì)空氣敏感并迅速分解。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)獨(dú)特的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)用來(lái)制備尺寸為1平方厘米的片。形成了高質(zhì)量大型硼原子摻雜石墨烯片。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

硼石墨烯樣品與已有的超靈敏氣體傳感器相近。該傳感器的傳輸機(jī)理在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)康斯坦丁·諾沃肖洛夫?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行研究。諾沃肖洛夫因其在石墨烯領(lǐng)域的工作而贏得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

比利時(shí)和美國(guó)基礎(chǔ)理論研究人員比較了硼摻雜石墨烯的實(shí)驗(yàn)圖像和掃描隧道顯微鏡圖像。硼原子與氮氧化物或氨氣分子作用的效果也被證實(shí)。這項(xiàng)研究還包括來(lái)自日本和中國(guó)的研究人員。

“這項(xiàng)多學(xué)科研究為進(jìn)一步探索超靈敏的氣體傳感器開(kāi)辟了新的途徑。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)傳感器的設(shè)計(jì)方面，我們的方法結(jié)合了*新納米材料與連續(xù)紫外線輻射技術(shù)。我們相信這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展可能會(huì)突破一千萬(wàn)億分之一的檢測(cè)極限水平，該數(shù)值比當(dāng)前*先進(jìn)的傳感器靈敏度高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，”美國(guó)本田研究所AvetikHarutyunyan說(shuō)。

硼摻雜石墨烯傳感器 可**空氣中的氨氣 氮氧化物等有毒氣體

使用氨氣工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室可受益于這種超靈敏傳感器。傳感器可以用于檢測(cè)易燃或有毒氣體，而且還可以幫助開(kāi)發(fā)出更好的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和鋰離子電池。

這項(xiàng)研究由中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、美國(guó)本田研究所、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室多學(xué)科大學(xué)研究獎(jiǎng)、歐洲的石墨烯 Flagship、賓夕法尼亞州材料研究所和納米科學(xué)中心及國(guó)家科學(xué)基金會(huì)MRSEC支持。

這項(xiàng)研究結(jié)果已被發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上。

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