Les chercheurs ont découvert un moyen de créer un capteur chimique hautement sensible basé sur les défauts cristallins des feuilles de graphène. Les imperfections ont des propriétés électroniques uniques que les chercheurs ont pu exploiter pour augmenter de 300 fois la sensibilité aux molécules de gaz absorbées.

L'étude est disponible en ligne avant l'impression dans Communication Nature .

Amin Salehi-Khojin, professeur adjoint de génie mécanique et industriel au laboratoire avec Mohammad Asadi, étudiante diplômée et Bijandra Kumar, post doc où ils font des recherches sur les capteurs de graphène. Photo :Roberta Dupuis-Devlin/Services photo UIC

Lorsqu'un réseau ou une feuille de graphène est formé, sa structure polycristalline a des frontières aléatoires entre les grains monocristallins. Les propriétés du réseau sont significativement affectées par ces « joints de grains, " dit Amin Salehi-Khojin, Professeur assistant de l'UIC en génie mécanique et industriel et chercheur principal de l'étude.

Dans de nombreuses applications, Les joints de grains sont considérés comme des failles car ils dispersent les électrons et peuvent affaiblir le réseau. Mais Salehi-Khojin et ses collègues ont montré que ces imperfections sont importantes pour le fonctionnement des capteurs de gaz à base de graphène. Ils ont créé un micron, joint de grain individuel de graphène afin de sonder ses propriétés électroniques et d'étudier son rôle dans la détection de gaz.

Leur première découverte était que les molécules de gaz sont attirées par le joint de grain et s'y accumulent, plutôt que sur le cristal de graphène, ce qui en fait l'endroit idéal pour détecter les molécules de gaz. Les propriétés électriques d'un joint de grain attirent les molécules à sa surface.

Un groupe de chimie théorique à l'UIC, dirigé par Petr Kral, a pu expliquer cette attraction et les propriétés électroniques supplémentaires du joint de grain. La nature irrégulière du joint de grain produit des centaines d'espaces de transport d'électrons avec des sensibilités différentes.

"C'est comme si nous avions plusieurs commutateurs en parallèle, " a déclaré l'étudiant diplômé Poya Yasaei, premier auteur sur le papier. « Les molécules de gaz s'accumulent sur le joint de grain ; il y a un transfert de charge ; et, parce que ces canaux sont tous mis en parallèle, tous les canaux s'ouvrent ou se ferment brusquement. Nous voyons une réponse très nette."

Les chercheurs tentent de développer un capteur hautement sensible et robuste depuis des décennies, a déclaré Bijandra Kumar, postdoctorante de l'UIC, un co-auteur sur le papier.

"Nous pouvons synthétiser ces joints de grains à l'échelle micrométrique de manière contrôlée, ", a déclaré Kumar. "Nous pouvons facilement fabriquer des réseaux de capteurs à l'échelle de la puce en utilisant ces limites de grains pour une utilisation dans le monde réel."

Salehi-Khojin a déclaré qu'il devrait être possible d'"ajuster" les propriétés électroniques des réseaux de limites de grains de graphène en utilisant un dopage contrôlé pour obtenir une réponse d'empreinte digitale, créant ainsi un "nez électronique" fiable et stable.

Avec la forte attraction du joint de grain pour les molécules de gaz et la réponse extraordinairement nette à tout transfert de charge, un tel nez électronique pourrait être capable de détecter même une seule molécule de gaz, Salehi-Khojin croit, et ferait un capteur idéal.