Bien qu'ils aient découvert que le graphène fait de très bons capteurs chimiques, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont découvert une « torsion » inattendue — que les capteurs sont meilleurs lorsque le graphène est « pire » — plus d'imperfections améliorent les performances.

"C'est tout le contraire de ce que vous voudriez pour des transistors, par exemple, " a expliqué Eric Pop, professeur adjoint de génie électrique et informatique et membre de l'équipe de recherche interdisciplinaire. "Constatant que moins ils étaient parfaits, mieux ils fonctionnaient, était contre-intuitif au début."

Le groupe de recherche, qui comprend des chercheurs du génie chimique et du génie électrique, et d'une start-up, Matériaux de dioxyde de carbone, ont rendu compte de leurs résultats le 23 novembre numéro 2011 de Matériaux avancés .

"L'objectif de ce travail était de comprendre ce qui limite la sensibilité de simples, chimiresistors graphène à deux terminaux, et d'étudier cela dans le cadre de dispositifs peu coûteux facilement fabriqués par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), " ont déclaré les auteurs principaux Amin Salehi-Khojin et David Estrada.

Les chercheurs ont découvert que la réponse des résistances chimiques au graphène dépend des types et de la géométrie de leurs défauts.

"Les chimiorésistances au graphène presque vierges sont moins sensibles aux molécules d'analyte car les adsorbats se lient aux défauts ponctuels, qui ont des voies de faible résistance autour d'eux, " a noté Salehi-Khojin, chercheur à Dioxide Materials et associé de recherche post-doctoral au Département de génie chimique et biomoléculaire (ChemE) de l'Illinois. "Par conséquent, l'adsorption aux défauts ponctuels n'a qu'un faible effet sur la résistance globale du dispositif. D'autre part, les défauts de ligne de taille micrométrique ou les lignes continues de défauts ponctuels sont différents car aucun chemin de conduction facile n'existe autour de tels défauts, donc le changement de résistance après adsorption est significatif.

"Cela peut conduire à des capteurs de gaz meilleurs et moins chers pour une variété d'applications telles que l'énergie, sécurité intérieure et diagnostics médicaux », a déclaré Estrada, candidate au doctorat au Département de génie électrique et informatique.

Selon les auteurs, la nature bidimensionnelle du défectueux, Les résistances chimiques au graphène cultivées par CVD les amènent à se comporter différemment des résistances chimiques à nanotubes de carbone. Cette sensibilité est encore améliorée en coupant le graphène en rubans de largeur comparable aux dimensions du défaut de ligne, ou micromètres dans cette étude.

"Ce que nous avons déterminé, c'est que les gaz que nous détections ont tendance à se lier aux défauts, " a déclaré Pop. " Les défauts de surface du graphène sont soit ponctuels, ride-, ou en forme de ligne. Nous avons constaté que les points n'ont pas beaucoup d'importance et que les lignes sont très probablement là où la détection se produit."

« Les rubans de graphène avec des défauts de ligne semblent offrir des performances supérieures en tant que capteurs de graphène, " a déclaré Richard Masel, professeur émérite de ChemE et PDG de Dioxide Materials. " À l'avenir, nous pensons pouvoir concevoir les défauts de ligne pour maximiser la sensibilité du matériau. Cette nouvelle approche devrait nous permettre de produire des capteurs chimiques peu coûteux et sensibles avec des performances meilleures que celles des capteurs à nanotubes de carbone. »