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通過等離子體處理改變石墨烯結(jié)構(gòu),可制造出更好的氣體傳感器
來源:千葉大學(xué) 發(fā)表于 2025/3/7

通過等離子體處理改變石墨烯的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生缺陷,比如碳空位和氧化位點(diǎn)。這些改變能夠讓石墨烯在氣體傳感器領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用,因?yàn)樗鼈冇兄谖侥繕?biāo)氣體,如氨氣()。 圖片來源:千葉大學(xué) 大場智典


在現(xiàn)代社會中,氣體傳感技術(shù)至關(guān)重要,它不僅保障了我們在家居和工作場所的安全,還在環(huán)境污染監(jiān)測和工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的氣體傳感器雖然有效,但在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和功耗方面常常存在局限。


為了克服這些缺點(diǎn),近期氣體傳感器的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了碳納米材料,其中備受矚目的就是石墨烯。這種材料用途廣泛且成本相對較低,能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)超高靈敏度,同時(shí)功耗極低。因此,石墨烯有望徹底革新氣體檢測系統(tǒng)。


在這樣的背景下,由日本千葉大學(xué)理學(xué)研究生院的大場智典副教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì),探索出了一條極具前景的途徑,能夠進(jìn)一步提升石墨烯的傳感性能。


正如他們發(fā)表在《美國化學(xué)會應(yīng)用材料與界面》雜志上的最新論文所述,該團(tuán)隊(duì)研究了用不同氣體的等離子體處理石墨烯薄片,是如何以及為何能提高對有毒化合物氨氣()的檢測靈敏度。來自千葉大學(xué)的巖上崇吾先生和薬司俊也先生共同參與了這項(xiàng)研究并撰寫了論文。


研究人員制備了石墨烯薄片,并在氬氣()、氫氣()或氧氣()環(huán)境下對其進(jìn)行等離子體處理。這種處理使石墨烯 “功能化”,也就是說,它通過附著特定的化學(xué)基團(tuán)修飾了石墨烯薄片的表面,并產(chǎn)生了可控的缺陷,這些缺陷成為了像這樣的氣體分子的額外結(jié)合位點(diǎn)。處理后,研究人員運(yùn)用了多種先進(jìn)的光譜技術(shù)和理論計(jì)算方法,來深入了解石墨烯薄片所經(jīng)歷的精確化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化。


研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),等離子體處理過程中使用的氣體,會在石墨烯薄片上產(chǎn)生不同類型的缺陷。大場副教授解釋道:“等離子體處理會使石墨烯發(fā)生氧化,生成氧化石墨烯;而等離子體處理則會引發(fā)氫化反應(yīng),生成石墨烷。光譜分析表明,氧化石墨烯含有碳空位型缺陷,石墨烷含有型缺陷,而經(jīng)過處理的石墨烯則同時(shí)含有這兩種缺陷。”


需要說明的是,型缺陷是一種結(jié)構(gòu)變化,在這種變化中,石墨烯中的碳原子從在平面上形成三個(gè)鍵,轉(zhuǎn)變?yōu)橐运拿骟w結(jié)構(gòu)形成四個(gè)鍵,這通常是由于氫原子附著在表面所致。


有趣的是,在石墨烯薄片中引入這些缺陷,極大地提高了其對的傳感性能。由于更容易與缺陷結(jié)合,而不是與原始的石墨烯結(jié)合,因此功能化后的石墨烯薄片在接觸時(shí),其電導(dǎo)率變化更為明顯。這一特性可應(yīng)用于氣體傳感設(shè)備中,以檢測和量化的存在。特別是氧化石墨烯,在接觸時(shí),其薄片電阻(電導(dǎo)率的倒數(shù))變化最為顯著,變化幅度高達(dá) 30%。


值得一提的是,該團(tuán)隊(duì)還測試了功能化石墨烯薄片在反復(fù)接觸后,其氣敏性能是否會下降。雖然觀察到薄片電阻存在一些不可逆的變化,但也有一些顯著變化是完全可逆且可循環(huán)的。


大場副教授總結(jié)道:“結(jié)果表明,與原始石墨烯相比,通過等離子體對石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能化處理,能制備出對氣體傳感性能更優(yōu)越的材料!


總體而言,這項(xiàng)研究為下一代氣體傳感設(shè)備的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。大場副教授對他們的研究成果感到十分興奮,并表示:“由于石墨烯是已知的最薄且具有氣體滲透性的材料之一,這項(xiàng)研究中開發(fā)的功能化石墨烯薄片可應(yīng)用于日?纱┐髟O(shè)備。因此,在未來,任何人都能夠檢測周圍環(huán)境中的有害氣體。” 希望該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究能夠?qū)⑦@一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),推動石墨烯基技術(shù)的發(fā)展。


更多信息:巖上崇吾等人,《通過、等離子體處理對石墨烯進(jìn)行功能化,以改善氣體傳感性能》,《美國化學(xué)會應(yīng)用材料與界面》(2024 年)。DOI: 10.1021/acsami.4c17257


引用信息:《通過等離子體處理改變石墨烯結(jié)構(gòu),可制造出更好的氣體傳感器》(2025 年 2 月 25 日),2025 年 3 月 7 日取自https://phys.org/news/2025-02-graphene-sheets-plasma-gas-sensors.html


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