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世界上第一个应用石墨烯新原理的气体传感器

发布时间:

2016-12-07 02:19

富士通实验室今天宣布，世界上第一个成功开发出一种极其灵敏的气体传感器，该传感器基于利用石墨烯的新原理，石墨烯是一种碳原子排列成一个原子厚的薄片的材料。 这一发展为紧凑型仪器铺平了道路，这些仪器可以快速、灵敏地测量特定气体成分，用于检测大气污染或测试人呼吸中的有机衍生气体。 富士通实验室开发了一种按照新原理工作的气体传感器，其中硅晶体管的栅极部分被石墨烯取代。 该传感器可以检测浓度低于十亿分之几十（ppb）的二氧化氮（NO2）和氨（NH3）； 特别是对于二氧化氮，灵敏度提高了十倍以上，达到低于 1 ppb。 这项技术预计将能够实时测量空气质量，根据所测量的气体，这可能需要数十个小时。 它还将简化呼吸中气体成分的检测，可用于快速发现生活方式疾病。

该技术的详细信息将于 12 月 3 日在旧金山召开的 2016 年 IEEE 国际电子器件会议上公布。

背景

石墨烯是一种只有一个原子厚的二维碳片，具有卓越的电性能，远远超出了使用硅的超大规模集成（VLSI）电路的极限，而硅已经达到了小型化的极限。 作为下一代电子设备的材料，这引起了人们的关注。 富士通实验室正在开发超快、低功耗晶体管和使用石墨烯的革命性器件，并且还在开发使用石墨烯的高灵敏度传感器等功能器件。

气体传感器已被提议作为一种可以使用石墨烯制造的功能器件。 希望它能够让传感器能够高灵敏度（ppb级）测量某些气体成分，以检测空气污染或人类呼吸中含有的气体。 虽然可以使用专用设备（例如气相色谱仪）执行极其灵敏的测量，但该设备很大并且测量需要时间。 有一些紧凑且实时工作的半导体气体传感器，但这些传感器通常以百万分之一的灵敏度运行，因此它们的性能不足以检测某些气体成分。 有人提议使用石墨烯传感器，通过检测气体粘附的石墨烯上的电阻变化来工作，但在存在百万分之一 (ppm) 浓度的气体时，电阻仅变化几个百分点， 这没有达到实际使用所需的水平。

关于技术

富士通实验室现已开发出一种基于新原理的气体传感器。 在此类传感器中，仅具有单层原子的石墨烯片取代了传统硅晶体管的栅极部分（图 2）。 当气体分子粘附在石墨烯上时，石墨烯的功函数发生变化，其结果是硅晶体管的开关特性发生重大变化。 正是这个原理使得气体能够被检测到。 当气体分子与石墨烯分离时，石墨烯恢复到原来的状态。

基于这一原理的传感器已被创建，可以在氮气环境中测量几十 ppb 的氨和小于 1 ppb 的 NO2。 在空气或人类呼吸分析中预计会发现的气体中，测试结果表明它仅与 NO2 和 NH3 发生反应，这意味着它只能检测特定气体（图 3）。

该技术对 NO2 的灵敏度比传统的基于电阻率的石墨烯传感器（小于 1 ppb）和市售电化学传感器（灵敏度超过数十 ppb）高一个数量级。

结果

该传感器结构紧凑，检测区域仅为几百微米，但可以做得更小（小于一微米）。 灵敏度高于现有技术，并且由于其机制不依赖于化学反应，因此传感器可以通过向设备施加热量等方法恢复到原始状态。 该传感器可用于紧凑型设备，可在任何地方实时测量 NO2，灵敏度达到 40-60 ppb 的环境基准水平（空气污染指数）。

富士通实验室测试了石墨烯门传感器原理的有效性，并在验证其特性并研究其耐用性后，旨在将其作为环境传感器投入实际使用。 该公司还计划通过将石墨烯与其他分子结合来寻找检测二氧化氮和氨以外的气体的方法。 此外，富士通实验室计划将该传感器与2016年4月推出的可高灵敏度测量氨的传感器相结合，开发出一种高灵敏度的便携式传感器，可以像温度计一样方便地测量人体呼吸中的气体 以便及早发现生活习惯病。

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