Графен как источник информации

электропроводность;     газовый     сенсор;

графеновый       датчик       влажности;

высокочувствительный молекулярный сенсор; датчики   с метками радиочастотной идентификации (RFID).

Рис. 2. Изображение графена (а) и графеновой нанотрубки (Ь) получено с помощью сканирующего туннельного микроскопа материал, в котором все атомы углерода расположены в виде особой плоской решетки толщиной как раз в один атом.

Однако, несмотря на то, что слово «графен» постоянно на слуху, пока что мало, кто способен похвастаться, что в его доме или в автомобиле есть устройства или материалы с графеном. Впрочем вполне возможно, что в ближайшее время ситуация может измениться: в наших домах имеют все шансы появиться дешевые и чувствительные графеновые датчики.

Классификация сенсорных датчиков на основе графена.

Газовый сенсор на основе графена

Газовый сенсор на основе графена обладает высокой чувствительностью. Он способен улавливать даже только одну молекулу газа или примеси.

Графен обладает уникальными свойствами, благодаря которым он может использоваться в качестве газового сенсора различных газов. Такими свойствами являются: высокая адсорбирующая способность и высокая электропроводность. Графен способен чувствовать адсорбцию даже одной молекулы. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с. Графен почти не имеет сопротивления.

У графена изменяется его общая электрическая проводимость, к этому приводит адсорбция небольшого количества примесей и газов на поверхности графена. При этом наблюдается уменьшение или увеличение электрического сопротивления пленки, которая может быть измерена.

На поверхности графена процесс сорбции молекул газа или примесей полностью обратим. Для очистки графенового детектора через него пропускают ток силой около 10 мА. Этого достаточно, чтобы графеновую структуру нагреть настолько, чтобы произошла десорбция частиц газа или примесей. Представленный механизм очистки на степень эффективности детектирования газов не влияет. Поэтому графеновые сенсоры могут быть использованы многократно без ущерба для самого процесса детектирования.

В настоящее время уже разработан газовый сенсор с активным элементом из графена для детектирования аммиака (NH3), оксида азота (NO2) и углекислого газа (CO2).

Газовый сенсор на основе графена отличается своей миниатюрностью в отличие от других сенсоров

Графеновый датчик влажности

Датчики, которые определяли бы, например, влажность воздуха - сами по себе не новость, в лабораториях по всему миру разработаны несколько десятков вариантов аналогичных устройств.

Принцип работы графеновых датчиков влажности основан на том, что материалы или пленки с графеном меняют собственные свойства, впитывая влагу из воздуха. В этот раз тончайший слой с частичками оксида графена нанесли на подложку из оксида цинка и кремния. Датчик создает акустические волны на одном конце подложки и измеряет их на другом конце, как и другие подобные устройства.

Проходя через графеновую пленку поверхностные волны, могут ускоряться, замедляться, менять фазу и т. п. Пленка впитывает пары из воздуха и в зависимости от влажности по-разному пропускает волны. Исследователи направляли на образец поток увлажненного воздуха, измеряя его показатели с помощью высокоточного термогигрометра. Обнаружилось, собственно, что самые точные данные удается получить, пропуская через датчик особую разновидность поверхностных волн -волны Сезавы (названы по имени открывших их ученого).

Высокочувствительный молекулярный сенсор на основе графена

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (Франция) совместно с исследователями Института фотонных исследований (Испания) сделали на основе графена сенсор. Данный сенсор обладает высокой чувствительностью, и его можно настроить на поиск определённого вида молекул.

В работе сенсора применяется известный принцип инфракрасной атомно-абсорбционной спектроскопии - метод количественного анализа, основанный на свойствах атомов поглощать свет с конкретной длиной волны (резонансное поглощение). Данный метод позволяет изучать энергетические состояния квантовых систем путём изучения спектров поглощения электромагнитного излучения. Излучение непрерывного спектра пропускается через слой вещества, и часть его поглощается. При этом поглощаются волны с длинами, соответствующими для энергетических состояний исследуемого вещества.

Как правило, для этого применяется свет — но поскольку молекулы имеют размеры в несколько нанометров, а длина волны инфракрасного фотона составляет 6 микрометров, этим методом довольно непросто выявить отдельные молекулы. Зато графен необходимой геометрии способен улавливать соответствующие колебания молекулы, соединённой с ним и фокусировать свет на нужном участке.

Более того, данный способ позволяет определить не только саму молекулу, но и состав связей между её атомами. Различные молекулы испускают отличающиеся наборы вибраций, каждая из которых отличительна для определённых связей. Для этого графеновый датчик путём подачи на него электрического напряжения разной величины «настраивается» на эти колебания. В итоге становится возможным получить полную информацию об исследуемой молекуле. Данный метод на белковых молекулах тестировали учёные и получили исчерпывающее описание их структур.

Этот датчик при помощи всего лишь одного устройства позволяет проводить трудный молекулярный анализ вещества. При этом он не разрушает исследуемый материал. Потенциал этих датчиков огромен — с его помощью можно изучать не только белки, но и полимеры, и иные вещества.

Графеновые сенсоры для интернета

Инженеры Университета Манчестера (Великобритания) разработали графеновые сенсоры для меток RFID (радиочастотная идентификация), не требующих вспомогательного источника питания и способных подключаться к любой беспроводной сети.

Датчики с метками RFID имеют всем шансы обширно использоваться в устройствах интернета вещей. С их помощью возможно мониторить производственные процессы, мерить

влажность, следить за свежестью продуктов питания, состоянием рабочих помещений и ядерных отходов. Технология, предложенная специалистами Университета Манчестера способна облегчить сбор информации, совместима с сетями Wi-Fi и 5G и не содержит ограничений беспроводной сети.

Ученые предполагают в последующем интегрировать эти сенсоры с другими двухмерными материалами, чтобы обнаружить новые горизонты перед беспроводными технологиями.

Инженеры Университета Карнеги — Мелон придумали датчик, объединяющий большое количество сенсоров в одном. Он разработан для умного дома, собирает и интерпретирует данные обо всем, что происходит в помещении: он оценивает степень освещенности, слушает звуки, определяет электромагнитный фон, вибрации, температуру.

Таким образом, сенсорные датчики на основе графена имеют намного больше преимуществ, по сравнению с классическими. Что способствует их широкому распространению в ближайшее время. Графен обладает высокой подвижностью носителей заряда, которая является наибольшей среди всех известных материалов (при той же толщине), делает его многообещающим материалом для применения в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники.