Graphene sensors-a review of recent developments

1、Graphene sensors: a review of recent developmentsIntroduction石墨烯是一種零帶隙，二維，結(jié)晶碳同素異形體的，其中的原子被密集地填充在正六邊形圖案（圖1），可以將它的作為單原子厚的石墨層。首先通過(guò)隔離在2004年凝聚態(tài)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁Novoselov在曼徹斯特大學(xué)，它有自引起了極大的興趣，尤其是以下海姆和Novoselov被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，2010年為“關(guān)于二維開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)材料石墨烯“。這種興趣源于材料的不尋常的，獨(dú)特的機(jī)械，熱學(xué)，電學(xué)，磁性和光學(xué)性質(zhì)，一些這些都列于表I，這些建議所有方式電子元器件可能的應(yīng)用

2、，光電，太陽(yáng)能電池，能量存儲(chǔ)設(shè)備，顯示器，觸摸屏和感應(yīng)，并在2007年，曼徹斯特組利用該材料，以檢測(cè)氣體通過(guò)表明它建議可以響應(yīng)二氧化氮的單個(gè)分子。自那以后，進(jìn)展得到了快速和來(lái)自世界各地的群體現(xiàn)在正在調(diào)查石墨烯的感應(yīng)能力。石墨烯納米傳感器已經(jīng)開發(fā)了許多響應(yīng)物理量，氣體，化學(xué)物質(zhì)和生物劑，如病毒和細(xì)菌。由于許多石墨烯和碳納米管之間的相似性（碳納米管），一些石墨烯傳感器利用工作的廣泛身體在他們的基于CNT的對(duì)應(yīng)，因?yàn)樗鼈兂３＠妙愃频霓D(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)和結(jié)構(gòu)Why use graphene for sensing?石墨烯仍然是一個(gè)“實(shí)驗(yàn)”材料，因?yàn)樗遣簧形创笈可a(chǎn)，仍是昂貴的并且還難以處理而是一個(gè)有吸引力

3、的候選者中的傳感器應(yīng)用數(shù)的原因。其優(yōu)良的機(jī)械性能使得它有可能非常適合用于納米機(jī)電的制造系統(tǒng)（NEMS）的設(shè)備，所述納米級(jí)的等效微機(jī)電系統(tǒng)，特別是，諧振NEMS。諧振器具有以感測(cè)的所有方式的潛在物理和分子的變量，并且高剛度和低質(zhì)量已使石墨烯諧振器與制造超過(guò)150兆赫的共振頻率，導(dǎo)致可能是非常高的靈敏度。與其它微或納米諧振器（例如，基于CNT），例如共振可創(chuàng)建和光學(xué)檢測(cè)，由此脈沖激光束針對(duì)諧振器調(diào)制該溫度，引起周期性的收縮和膨脹，從而議案。本運(yùn)動(dòng)是通過(guò)跟蹤的強(qiáng)度調(diào)制檢測(cè)反射從使用光電二極管的另一個(gè)激光束信號(hào)。一個(gè)石墨烯在NEMS諧振有趣特性方面，也由碳納米管所示，是消除的可能性光盤驅(qū)動(dòng)器和耦合電子

4、檢測(cè)技術(shù)性能與機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這是可能的，因?yàn)闄C(jī)械振蕩導(dǎo)致載流子密度的調(diào)制在所加的柵極電壓的存在。在石墨烯中，電子結(jié)構(gòu)是所施加的磁性高度敏感場(chǎng)：態(tài)密度坍縮成量化朗水平，諸如量子霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象，引起高強(qiáng)度的領(lǐng)域和電阻率振蕩和磁化在低溫領(lǐng)域;在舒勃尼科夫 - 德哈斯和去哈斯面包車爾芬效應(yīng)，分別。這些現(xiàn)象和其應(yīng)用到納機(jī)電諧振器，現(xiàn)在正在研究幾組。在分子傳感上下文，石墨烯具有潛在以得到高靈敏度的設(shè)備，一部分由于其大的表面面積和潛在可用的結(jié)合位點(diǎn)從而數(shù)，而且因?yàn)闄M向霍爾電阻率是非常敏感的變化載流子濃度。這些變化源于石墨烯和靶之間的結(jié)合事件分子而導(dǎo)致的捐贈(zèng)或撤銷從改變其電石墨烯電子電導(dǎo)率。這是所用的曼徹斯特的技

5、術(shù)中組顯示單分子檢測(cè)。同樣，靶分子的結(jié)合可調(diào)節(jié)的諧振頻率的NEMS諧振器。石墨烯是也由有機(jī)化合物非常適合官能那可以互動(dòng)和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)品種。有可能官能共價(jià)或非共價(jià)地，雖然共價(jià)鍵的方法在本質(zhì)上更穩(wěn)定，他們往往擾亂了材料的電子和機(jī)械性能。非共價(jià)鍵功能化并沒有破壞這些性能，但它是不穩(wěn)定的，易于降解與時(shí)間。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功能化而能力保持性能的持續(xù)研究的話題。石墨烯也可摻入FET的結(jié)構(gòu)，以及與微技術(shù)，化學(xué)敏感的場(chǎng)效應(yīng)管已證明。此外，在石墨烯新的物理現(xiàn)象繼續(xù)被發(fā)現(xiàn)其可以最終在傳感發(fā)揮作用。對(duì)于例如，在2013年，從五個(gè)美國(guó)和日本工人高校和科研院所證實(shí)存在石墨烯量子分形能源結(jié)構(gòu)被稱為霍夫斯塔特的蝴蝶（圖2）。首先由美

6、國(guó)預(yù)測(cè)物理學(xué)家侯世國(guó)在1976年，這種蝴蝶狀花紋出現(xiàn)時(shí)的電子被限制在二維平面并進(jìn)行周期性電場(chǎng)和強(qiáng)磁性領(lǐng)域。據(jù)觀察在包括平板結(jié)構(gòu)石墨烯和氮化硼（圖3），其被扭曲針對(duì)對(duì)方創(chuàng)造了超晶格。據(jù)教授科里院長(zhǎng)從紐約市立學(xué)院，第一作者在該研究結(jié)果發(fā)表在自然文件：。 。 我們現(xiàn)在站在一個(gè)全新的前沿邊緣而言探索了以前從未實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的性能。該能夠產(chǎn)生這種效果也可能會(huì)被利用來(lái)設(shè)計(jì)新電子和光電子器件。在2014年初，從能源公司的美國(guó)部的一個(gè)小組SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)大學(xué)報(bào)道一材料，其包括交替表現(xiàn)層石墨烯和鈣（CaC6）的超導(dǎo)。他們認(rèn)為，這可能最終找到采用超高頻模擬晶體管，量子計(jì)算設(shè)備和納米級(jí)的傳感器。Gr

7、aphene nanosensors for physical variables石墨烯的光學(xué)性能吸引了很大的興趣，在特別是其吸收2.3的入射光以上的能力一個(gè)寬范圍的波長(zhǎng)，并且這導(dǎo)致了一些研究成石墨烯光電探測(cè)器和圖像傳感器。在這種情況下光電探測(cè)器，大多數(shù)報(bào)告的設(shè)備中都表現(xiàn)出了最大響應(yīng)？ 10mAW，限制其潛在的應(yīng)用。來(lái)自新加坡的工人新加坡南洋理工大學(xué)已經(jīng)證明高靈敏度的光電探測(cè)器和圖像傳感器通過(guò)引入電子俘獲中心，并通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)帶通過(guò)一個(gè)帶結(jié)構(gòu)工程的差距在石墨烯技術(shù)涉及犧牲鈦層。該光傳感器，其被配置為FET（G-FET）結(jié)構(gòu)，從可見光（532納米）回答了在中紅外（約10？米），并呈現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的8

8、.61的AW光響應(yīng)？1。圖像傳感器的反應(yīng)過(guò)的類似波長(zhǎng)范圍約為1000倍更敏感比以前報(bào)道的石墨烯成像傳感器，表現(xiàn)出大約1.25 127光響應(yīng)AW？1在可見光波長(zhǎng)。普渡工人大學(xué)已經(jīng)調(diào)查了使用G-FET的檢測(cè)電離輻射而開發(fā)的依賴石墨烯上的局部電場(chǎng)的導(dǎo)電性，這可以通過(guò)產(chǎn)生電荷載體被急劇變化通過(guò)在吸收材料（圖4）的電離輻射。該集團(tuán)已與基于G-FET的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)關(guān)于碳化硅等基材與CVD石墨烯檢測(cè)X射線和輻射，并且在電阻變化高達(dá)70的，觀察到在X射線照射室內(nèi)溫度。美國(guó)國(guó)家航空和航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心擁有示出在該技術(shù)的興趣的情況下監(jiān)測(cè)輻射劑量或劑量率飛船船員。該集團(tuán)還正在研究粒子的探測(cè)和中子，以

9、及可見光，以G-FET的。利用其機(jī)械性能，幾組具有基于石墨烯調(diào)查NEMS壓力傳感器。從代爾夫特理工大學(xué)的工人最近報(bào)道在石墨烯，由此利用壓阻效應(yīng)一個(gè)100-nm厚和280-微米寬的方形氮化硅膜圖案與多層，多晶石墨烯在最大應(yīng)變點(diǎn)（_）。傳感器約1.6表現(xiàn)出應(yīng)變系數(shù)（R/ R）/）和在經(jīng)營(yíng)范圍0-700毫巴。一組來(lái)自KTH技術(shù)，瑞典皇家工學(xué)院，編造CVD石墨烯膜，懸掛在空腔蝕刻成的SiO2膜在硅襯底上。再利用壓阻實(shí)際上，傳感器，它具有65的橫截面？ 6？m，顯示出3.95？/ V /毫米汞柱的敏感性和一個(gè)應(yīng)變系數(shù)高達(dá)4.33，平均為2.92。一個(gè)有趣的技術(shù)，應(yīng)用程序正在從大學(xué)調(diào)查由一組馬里蘭州和NI

10、ST，標(biāo)準(zhǔn)的美國(guó)國(guó)家研究院與技術(shù)。這項(xiàng)工作結(jié)合了石墨烯的機(jī)械性質(zhì)與光學(xué)，和壓力傳感器被制造它包括一個(gè)石墨烯膜在聚合物基底，位于一個(gè)150-？米直徑的光纖的前端。該膜的壓力引起的偏轉(zhuǎn)檢測(cè)到與一個(gè)法布里 - 珀羅干涉儀。預(yù)期的應(yīng)用是測(cè)量高動(dòng)態(tài)壓力波，它可以達(dá)到幾百千帕，即侵犯戰(zhàn)士的頭從簡(jiǎn)易爆炸裝置和其他暴露在爆炸在早期發(fā)現(xiàn)外傷性腦的彈藥，從而有助于傷害。石墨烯納米傳感器已經(jīng)報(bào)道了響應(yīng)幾個(gè)其它物理變量，包括應(yīng)變，質(zhì)量和磁場(chǎng)和電場(chǎng)。例如，在與美國(guó)麻省理工學(xué)院，美國(guó)航空航天局正在調(diào)查使用石墨烯的作為應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)航天器。Gas sensing基于石墨烯許多氣體傳感器以來(lái)已經(jīng)報(bào)道曼徹斯特組表現(xiàn)出單一

11、氣體的檢測(cè)在2007年的分子（圖5）。幾種不同的傳感配置進(jìn)行了研究，其中包括的FET，涂覆聲表面波器件以及摻雜和質(zhì)樸的單一和硅，碳化硅，氮化鎵多層膜和其它材料。這些已顯示出對(duì)氣體例如響應(yīng)如H 2，H 2 S，CO，CO 2，NH 3，NO 2和SO 2的濃度從百分比的水平下降到ppb（十億分之幾）。這項(xiàng)工作大部分蘊(yùn)藏著相似的大得多體研究CNT基氣體傳感器，和更充分的細(xì)節(jié)給出在這個(gè)雜志上上期（34，1）。有在檢測(cè)與有機(jī)蒸汽越來(lái)越大的興趣石墨烯，反映最廣泛認(rèn)可的局限性現(xiàn)有的傳感器對(duì)于這些化合物。最近通過(guò)全南國(guó)立大學(xué)和印度的報(bào)道工作科學(xué)，班加羅爾，參與研究所制造石墨烯/聚苯胺納米復(fù)合材料（C-聚苯胺

12、）和純聚苯胺（PANI）薄膜和比較他們的甲苯蒸氣傳感能力。的膜淀積在SiO2 / Si襯底與鋁接觸電極（圖6），和它們的電阻為在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)暴露到100ppm甲苯在空氣中。雖然傳感器的響應(yīng)（R *（RAIR？的RGA /RAIR）？ 100）純PANI（12.6在30，38.4在100的）是比C-聚苯胺更高（8.4在30，35.5在100下），則C-聚苯胺薄膜表現(xiàn)出更好的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。一些團(tuán)體已經(jīng)在開發(fā)的石墨烯片基傳感器陣列電子鼻的配置來(lái)檢測(cè)有機(jī)蒸汽，和凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的工作人員已經(jīng)用金屬傳感器/氧化金屬（四氧化三鐵/ Au）的微圖案的石墨烯薄膜這被認(rèn)為是高度選擇性的乙醇陣列，甲醇

13、和甲醛蒸氣ppm級(jí)。從大學(xué)耐人尋味的工作由一組明尼蘇達(dá)涉及無(wú)線燃?xì)?蒸汽傳感器，利用在石墨烯量子電容（QC）的效果，一個(gè)泡利不相容原理的可觀察到的表現(xiàn)。單層石墨烯具有態(tài)很低密度（在每個(gè)能量間隔狀態(tài)在每個(gè)能級(jí)數(shù)可對(duì)由電子占據(jù)），這導(dǎo)致了強(qiáng)大的QC效應(yīng)，借此靜電電位變化隨著電子被添加或從石墨烯移除。該傳感器由一個(gè)金屬氧化物的石墨烯可變電容器的（變?nèi)荻O管），耦合到電感器，產(chǎn)生諧振振蕩電路。在石墨烯表面吸附的水增大了已經(jīng)稍微p型空穴濃度石墨烯哪個(gè)轉(zhuǎn)移費(fèi)米能級(jí)進(jìn)一步從狄拉克能量，增加電容，從而減少了法改會(huì)電路的諧振頻率。諧振頻率被發(fā)現(xiàn)按比例變化的水蒸汽在范圍濃度相對(duì)濕度（RH）值1-97的有5.7線性

14、頻率偏移？ 0.3千赫/RH該技術(shù)可以清楚地施加到檢測(cè)許多氣體和蒸氣，作者認(rèn)為，結(jié)果代表一個(gè)新的傳感器轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制和鋪平道路，為石墨烯QC傳感器，適用范圍廣的化學(xué)和生物傳感應(yīng)用。Chemical sensors化學(xué)傳感研究界正在調(diào)查使用多種不同的納米材料，并有一個(gè)工作涉及石墨烯的越來(lái)越多，在許多的情況下，正被用于修改離子選擇性電極，在特別是修飾玻碳電極和場(chǎng)效應(yīng)管。反映現(xiàn)有化工的主要應(yīng)用傳感器，更旨在發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染物和一些品種的臨床興趣和摘要信息最近報(bào)道的工作列于表。明尼蘇達(dá)組前面提到的大學(xué)有還使用了QC /變?nèi)菁夹g(shù)，采用超小型，被動(dòng)式無(wú)線傳感器用于體內(nèi)檢測(cè)血糖。本利用葡萄糖和之間的公知的反應(yīng)葡萄糖氧

15、化酶（葡萄糖氧化酶），其釋放出的氫過(guò)氧化物。石墨烯的表面官能用葡萄糖氧化酶，以及生產(chǎn)的過(guò)氧化氫從石墨烯表面化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)測(cè)量。石墨烯量子點(diǎn)（GQDs，圖7）是其表現(xiàn)出有趣的現(xiàn)象零維材料由于量子限域和邊緣效應(yīng)。與他們的半導(dǎo)體同行，他們最近吸引了很多息，并開始在化學(xué)傳感待研究上下文。工作仍處于初期階段，但最近的一些公開報(bào)告他們?cè)诓煌臒晒鈧鞲惺褂眉夹g(shù)。例如，在2013年，一群來(lái)自南昌大學(xué)表明，磷酸化肽GQDs可在光致發(fā)光猝滅測(cè)定法用于檢測(cè)酶酪蛋白激酶，而在2014年，來(lái)自東方的中國(guó)工人師范大學(xué)，上海，報(bào)道的檢測(cè)使用的分子對(duì)硝基苯酚的水樣中印聚合物/二氧化硅包覆GQD復(fù)合。在對(duì)硝基苯酚驟冷的復(fù)合材料

16、和傳感器的熒光表現(xiàn)出在范圍0.02-3.00？克毫升？1的線性響應(yīng)，以9.00納克毫升檢出限？1。同樣是在2014年，另一組中國(guó)工人，來(lái)自南京理工大學(xué)，用于GQDs檢測(cè)低濃度的銅離子在水溶液中的。該銅離子淬火熒光GQDs的，并且傳感器呈線性反應(yīng)在范圍0-15？m，與0.226，檢出限？m。作者認(rèn)為，這LOD足以檢測(cè)銅在環(huán)境樣品，甚至在飲用水，其中，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局定義的限制是20ü？m。Detecting biological agents作品數(shù)量有限的最近有報(bào)道關(guān)于使用石墨烯的檢測(cè)生物劑，如細(xì)菌和病毒。一群來(lái)自印度科學(xué)研究所研制通過(guò)轉(zhuǎn)移大腸桿菌的檢測(cè)的傳感器CVD法生長(zhǎng)的石墨烯膜在柔

17、性基板醋酸和在石墨烯沉積金電極以形成二端，交叉指電容器結(jié)構(gòu)。剩余甲基上的石墨烯基，從轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，得到的行為作為結(jié)合位點(diǎn)的大腸桿菌，并可以觀察到的電阻石墨烯的降低而增加的大腸桿菌濃度。這是由于增加空穴摻雜誘導(dǎo)的負(fù)充電大腸桿菌，并通過(guò)阻抗譜確定以10Hz至100kHz。傳感器顯示，60的敏感性分在4.5大腸桿菌濃度是多少？ 107 CFU /毫升（CFU？菌落形成單位，活細(xì)菌數(shù)量的量度）。一群來(lái)自韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院，科學(xué)的韓國(guó)高級(jí)研究院技術(shù)，先后開發(fā)了微圖案化，降低石墨烯氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MRGO-FET），用于檢測(cè)輪狀病毒是嚴(yán)重腹瀉的最常見的原因其中嬰幼兒。使用光刻和減速的過(guò)程中，一個(gè)MRGO-FET從制造石墨烯氧化物和整合后成聚二甲基硅氧烷微流體通道，具體輪狀病毒抗體共價(jià)連接到所述石墨烯的表面上。注射輪狀病毒樣品的濃度范圍從1