Science Advances：利用石墨烯實現在室溫下探測單分子吸附

【導言】

固態氣體傳感器在工業、環境和軍事上有廣泛的應用，它的原理主要是材料表面吸附某些氣體后電阻發生改變，通過測量電阻的改變就能確定某種氣體存在與否或者某種氣體的含量。通常固態氣體傳感器靈敏度較低，只有在被測量氣體的濃度大于一定的值或者它的濃度改變超過一定的值時，才能正常工作。那么，有沒有能夠探測到單個分子吸附的傳感器呢？

【摘要】

最近，北陸先端科學技術大學院大學的Jian Sun等人利用雙層懸浮石墨烯在室溫下成功探測到了單分子吸附事件。他們發現每吸附一分子CO2石墨烯的電阻就增加約61 Ω ，與用泛函密度理論計算的結果（約50 Ω）吻合，并對該現象進行了解釋，這是因為CO2在石墨烯表面成為帶電的雜質，阻斷了石墨烯表面的部分導電通道，從而導致電阻增大。

【實驗設計】

本實驗使用的是一套三電極裝置（類似于三極管），如圖1-A，上面兩個電極對石墨烯產生單軸應力（應變約為0.44%），下面的電極可以施加正/反門電壓來增大或減少石墨烯的電阻。實驗在室溫、純CO2氣氛（濃度為0.73分子/μm3）下進行，這個濃度保證石墨烯一次只能吸附一個CO2分子，并且間隔時間足長。實驗時施加門電壓可以促進CO2的吸附，如圖2。

圖1 （A）實驗裝置的示意圖（黃色為電極，黑色為石墨烯），右面的為側視圖；（B）為圖A中藍色虛線框的原子力顯微鏡圖（B：底面，T：上面）；（C）為圖B中沿綠線和紅線的高度分布，粉紅色表示石墨烯；（D）懸浮石墨烯的拉曼光譜圖。綠色表示2D亞峰擬合，藍線分別表示石墨烯G、2D1A和2D1B峰的位置，紅線表示石墨烯受到污染后峰的偏移。

【結果與分析】

實驗探測到了石墨烯電阻的變化，并且這個變化值都約為61 Ω的整數倍（包含61 Ω），因此推測石墨烯每吸附一個CO2分子電阻就增加61 Ω，與用泛函密度理論計算得到的約50 Ω相吻合，從而他們認為探測到了單分子吸附事件。

圖2 電場中CO2分子在石墨烯表面的運動模擬。（A）施加反向門電壓時石墨烯表面的電勢分布。兩虛線間為高電勢區域（B，C）300K下，CO2分子在石墨烯表面的運動軌跡模擬（B為不施加Vg，C為有Vg）。箭頭為運動方向。

圖3 雙層石墨烯探測CO2吸附的方法。（A）真空（左）和CO2氣氛中（右）的柵極調制；（B）Vg分別為0V（黑點）、+15V和-15V時BLG（CO2氣氛中）的電阻響應。藍色和綠色箭頭分別表示正的和負的階梯狀的電阻變化；（C）Vg為+15V時，BLG（CO2氣氛中）電阻變化（ΔR）的統計分布。紅線為高斯擬合。

引起石墨烯電阻改變有兩個原因，第一是CO2使石墨烯表面的載流子數量減少，它的門電壓調制曲線因如圖4（A）所示，而實際上觀察到的為圖4（B），因此石墨烯電阻的電阻增大主要是由第二個原因引起的，即CO2成為帶電雜質對電子發生散射。

圖4 石墨烯吸附CO2前和吸附后的門電壓調制示意圖。（A）當載流子數量占主導時；（B）當雜質散射占主導時。

為了進一步驗證散射機制，用泛函密度理論進行了計算（圖5），得到每吸附一個CO2分子就能阻斷約5.1nm的導電通道（石墨烯的總寬度為1.1μm），據此可以計算出每吸附一分子CO2增加的電阻值為50 Ω，計算值與實驗結果吻合。

圖5 吸附CO2分子對石墨烯輸運性質的影響。（A-C）吸附的CO2分子附近的電荷密度分布（紅色為正電荷，藍色為負電荷）。A到C分別表示自由石墨烯、在有缺陷的SiO2表面上的石墨烯和在理想的SiO2表面的石墨烯。（D）石墨烯吸附CO2分子時電荷密度分布的模擬圖。（E）沿著CO2分子的庫侖勢能分布。藍色虛線表示室溫下的熱能，點畫線表示CO2分子的位置。（F）雜質發生庫侖散射引起導電通道部分關閉的示意圖。

【一句話總結】

Jian Sun等人成功地利用雙層懸浮石墨烯探測到了單分子吸附事件，不但使得懸浮石墨烯有望成為超級敏感的小分子氣體傳感器，而且還有助于理解吸附現象的本質。

該研究成果近期發表在Science Advances上，論文鏈接：Room temperature detection of individual molecular physisorption using suspended bilayer graphene

本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。

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