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将石墨烯晶体管与 MOF 结合产生选择性和灵敏的传感器

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石墨烯联盟 2021-09-19 18:42

石墨烯具有对邻近电介质和局部电荷分布敏感的特性,这种特性可以通过石墨烯场效应晶体管中狄拉克点的位置来探测。将其用作有用的传感原理需要选择性;然而,石墨烯本身没有分子特异性相互作用。作为补充,金属-有机框架可以定制,以选择性吸附特定的分子种类。

卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和达姆施塔特技术大学的研究人员开发了石墨烯增强型气相分子传感器。这种新型传感器的功能原理基于灵敏的石墨烯晶体管和特制的有机金属涂层。这种结合使得对分子的选择性检测成为可能。

该研究通过在石墨烯场效应晶体管 (GFET) 上直接生长表面安装的金属有机框架 (SURMOF) 来证明选择性乙醇传感器。当 SURMOF/GFET 暴露于乙醇时,观察到狄拉克点前所未有的的偏移,高达15 V,而对异丙醇、甲醇和其他空气成分(包括水)的响应则非常小。描述了混合材料传感器及其功能特性的合成和调节,并提出了一个模型来解释狄拉克点电压偏移的起源、幅度和方向。定制多个 SURMOF 以在一系列此类设备上吸附特定气体,从而为传感应用生成一个多功能、选择性和高度敏感的平台。

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图1. SURMOF/GFET 器件的制造。a) 工艺流程包括多个电子束光刻图形、蚀刻和沉积步骤, b)通过反复暴露于金属连接器和有机连接器,在 GFET 上液相合成 SURMOF。c) 最终 SURMOF/GFET 器件的光学显微镜图像。传感器区域位于金属源漏电极之间,由于 SURMOF 的光学透明度,可以识别石墨烯。

这项新研究展示了一种特殊的乙醇传感器,它与现有的商业传感器不同,它不会对其他酒精或水分发生反应。就其性质而言,石墨烯对积聚在表面的外来分子高度敏感。然而,石墨烯本身不具有任何作为传感器所需的分子特定相互作用。金属有机骨架(MOF)是由金属节点和有机分子作为连接支柱组成。通过各种组合,这些高度多孔的晶体材料可以定制用于各种应用,例如,实现传感器中某些分子的选择性吸收能力。研究人员通过在石墨烯场效应晶体管(GFET)上直接生长表面安装金属有机框架(SURMOF)来展示选择性传感器平台。这种元件得益于GFET的高灵敏度和简单的读出以及SURMOF的高选择性。

石墨烯独特的电子性能与MOFs巨大的化学变异性相结合,产生了巨大的潜力,由于SURMOFs可以在许多变体中产生,并且GFET和SURMOFs之间的界面可以采用不同的化学设计,该工作可能为精确调整选择性和灵敏度的全新类别的传感器铺平道路。可以在计算机上构建许多MOFs,而无需合成它们。

文献信息:

Sensing Molecules with Metal–Organic Framework Functionalized Graphene Transistors

Sandeep Kumar,Yohanes Pramudya,Kai Müller,Abhinav Chandresh,Simone Dehm,Shahriar Heidrich,Artem Fediai,Devang Parmar,Delwin Perera,Manuel Rommel,Lars Heinke,Wolfgang Wenzel,Christof Wöll,Ralph Krupke

Advanced Materials

https://doi.org/10.1002/adma.202103316

文章来源:公众号【Carbontech】

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