Graphene sensors-a review of recent developments

1、Graphene sensors: a review of recent developmentsIntroduction石墨烯是一种零带隙，二维，结晶碳同素异形体的，其中的原子被密集地填充在正六边形图案（图1），可以将它的作为单原子厚的石墨层。首先通过隔离在2004年凝聚态物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁Novoselov在曼彻斯特大学，它有自引起了极大的兴趣，尤其是以下海姆和Novoselov被授予诺贝尔物理学奖，2010年为“关于二维开创性实验材料石墨烯“。这种兴趣源于材料的不寻常的，独特的机械，热学，电学，磁性和光学性质，一些这些都列于表I，这些建议所有方式电子元器件可能的应用

2、，光电，太阳能电池，能量存储设备，显示器，触摸屏和感应，并在2007年，曼彻斯特组利用该材料，以检测气体通过表明它建议可以响应二氧化氮的单个分子。自那以后，进展得到了快速和来自世界各地的群体现在正在调查石墨烯的感应能力。石墨烯纳米传感器已经开发了许多响应物理量，气体，化学物质和生物剂，如病毒和细菌。由于许多石墨烯和碳纳米管之间的相似性（碳纳米管），一些石墨烯传感器利用工作的广泛身体在他们的基于CNT的对应，因为它们常常利用类似的转导技术和结构Why use graphene for sensing?石墨烯仍然是一个“实验”材料，因为它是不尚未大批量生产，仍是昂贵的并且还难以处理而是一个有吸引力

3、的候选者中的传感器应用数的原因。其优良的机械性能使得它有可能非常适合用于纳米机电的制造系统（NEMS）的设备，所述纳米级的等效微机电系统，特别是，谐振NEMS。谐振器具有以感测的所有方式的潜在物理和分子的变量，并且高刚度和低质量已使石墨烯谐振器与制造超过150兆赫的共振频率，导致可能是非常高的灵敏度。与其它微或纳米谐振器（例如，基于CNT），例如共振可创建和光学检测，由此脉冲激光束针对谐振器调制该温度，引起周期性的收缩和膨胀，从而议案。本运动是通过跟踪的强度调制检测反射从使用光电二极管的另一个激光束信号。一个石墨烯在NEMS谐振有趣特性方面，也由碳纳米管所示，是消除的可能性光盘驱动器和耦合电子

4、检测技术性能与机械运动。这是可能的，因为机械振荡导致载流子密度的调制在所加的栅极电压的存在。在石墨烯中，电子结构是所施加的磁性高度敏感场：态密度坍缩成量化朗水平，诸如量子霍尔效应的现象，引起高强度的领域和电阻率振荡和磁化在低温领域;在舒勃尼科夫 - 德哈斯和去哈斯面包车尔芬效应，分别。这些现象和其应用到纳机电谐振器，现在正在研究几组。在分子传感上下文，石墨烯具有潜在以得到高灵敏度的设备，一部分由于其大的表面面积和潜在可用的结合位点从而数，而且因为横向霍尔电阻率是非常敏感的变化载流子浓度。这些变化源于石墨烯和靶之间的结合事件分子而导致的捐赠或撤销从改变其电石墨烯电子电导率。这是所用的曼彻斯特的技

5、术中组显示单分子检测。同样，靶分子的结合可调节的谐振频率的NEMS谐振器。石墨烯是也由有机化合物非常适合官能那可以互动和发现目标品种。有可能官能共价或非共价地，虽然共价键的方法在本质上更稳定，他们往往扰乱了材料的电子和机械性能。非共价键功能化并没有破坏这些性能，但它是不稳定的，易于降解与时间。实现稳定的功能化而能力保持性能的持续研究的话题。石墨烯也可掺入FET的结构，以及与微技术，化学敏感的场效应管已证明。此外，在石墨烯新的物理现象继续被发现其可以最终在传感发挥作用。对于例如，在2013年，从五个美国和日本工人高校和科研院所证实存在石墨烯量子分形能源结构被称为霍夫斯塔特的蝴蝶（图2）。首先由美

6、国预测物理学家侯世国在1976年，这种蝴蝶状花纹出现时的电子被限制在二维平面并进行周期性电场和强磁性领域。据观察在包括平板结构石墨烯和氮化硼（图3），其被扭曲针对对方创造了超晶格。据教授科里院长从纽约市立学院，第一作者在该研究结果发表在自然文件：。 。 我们现在站在一个全新的前沿边缘而言探索了以前从未实现的系统的性能。该能够产生这种效果也可能会被利用来设计新电子和光电子器件。在2014年初，从能源公司的美国部的一个小组SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学大学报道一材料，其包括交替表现层石墨烯和钙（CaC6）的超导。他们认为，这可能最终找到采用超高频模拟晶体管，量子计算设备和纳米级的传感器。Gr

7、aphene nanosensors for physical variables石墨烯的光学性能吸引了很大的兴趣，在特别是其吸收2.3的入射光以上的能力一个宽范围的波长，并且这导致了一些研究成石墨烯光电探测器和图像传感器。在这种情况下光电探测器，大多数报告的设备中都表现出了最大响应？ 10mAW，限制其潜在的应用。来自新加坡的工人新加坡南洋理工大学已经证明高灵敏度的光电探测器和图像传感器通过引入电子俘获中心，并通过创建一个带通过一个带结构工程的差距在石墨烯技术涉及牺牲钛层。该光传感器，其被配置为FET（G-FET）结构，从可见光（532纳米）回答了在中红外（约10？米），并呈现出显著增强的8

8、.61的AW光响应？1。图像传感器的反应过的类似波长范围约为1000倍更敏感比以前报道的石墨烯成像传感器，表现出大约1.25 127光响应AW？1在可见光波长。普渡工人大学已经调查了使用G-FET的检测电离辐射而开发的依赖石墨烯上的局部电场的导电性，这可以通过产生电荷载体被急剧变化通过在吸收材料（图4）的电离辐射。该集团已与基于G-FET的进行了实验关于碳化硅等基材与CVD石墨烯检测X射线和辐射，并且在电阻变化高达70的，观察到在X射线照射室内温度。美国国家航空和航天局（NASA）戈达德空间飞行中心拥有示出在该技术的兴趣的情况下监测辐射剂量或剂量率飞船船员。该集团还正在研究粒子的探测和中子，以

9、及可见光，以G-FET的。利用其机械性能，几组具有基于石墨烯调查NEMS压力传感器。从代尔夫特理工大学的工人最近报道在石墨烯，由此利用压阻效应一个100-nm厚和280-微米宽的方形氮化硅膜图案与多层，多晶石墨烯在最大应变点（_）。传感器约1.6表现出应变系数（R/ R）/）和在经营范围0-700毫巴。一组来自KTH技术，瑞典皇家工学院，编造CVD石墨烯膜，悬挂在空腔蚀刻成的SiO2膜在硅衬底上。再利用压阻实际上，传感器，它具有65的横截面？ 6？m，显示出3.95？/ V /毫米汞柱的敏感性和一个应变系数高达4.33，平均为2.92。一个有趣的技术，应用程序正在从大学调查由一组马里兰州和NI

10、ST，标准的美国国家研究院与技术。这项工作结合了石墨烯的机械性质与光学，和压力传感器被制造它包括一个石墨烯膜在聚合物基底，位于一个150-？米直径的光纤的前端。该膜的压力引起的偏转检测到与一个法布里 - 珀罗干涉仪。预期的应用是测量高动态压力波，它可以达到几百千帕，即侵犯战士的头从简易爆炸装置和其他暴露在爆炸在早期发现外伤性脑的弹药，从而有助于伤害。石墨烯纳米传感器已经报道了响应几个其它物理变量，包括应变，质量和磁场和电场。例如，在与美国麻省理工学院，美国航空航天局正在调查使用石墨烯的作为应变传感器的结构监测航天器。Gas sensing基于石墨烯许多气体传感器以来已经报道曼彻斯特组表现出单一

11、气体的检测在2007年的分子（图5）。几种不同的传感配置进行了研究，其中包括的FET，涂覆声表面波器件以及掺杂和质朴的单一和硅，碳化硅，氮化镓多层膜和其它材料。这些已显示出对气体例如响应如H 2，H 2 S，CO，CO 2，NH 3，NO 2和SO 2的浓度从百分比的水平下降到ppb（十亿分之几）。这项工作大部分蕴藏着相似的大得多体研究CNT基气体传感器，和更充分的细节给出在这个杂志上上期（34，1）。有在检测与有机蒸汽越来越大的兴趣石墨烯，反映最广泛认可的局限性现有的传感器对于这些化合物。最近通过全南国立大学和印度的报道工作科学，班加罗尔，参与研究所制造石墨烯/聚苯胺纳米复合材料（C-聚苯胺

12、）和纯聚苯胺（PANI）薄膜和比较他们的甲苯蒸气传感能力。的膜淀积在SiO2 / Si衬底与铝接触电极（图6），和它们的电阻为在一个温度范围内进行测定，当暴露到100ppm甲苯在空气中。虽然传感器的响应（R *（RAIR？的RGA /RAIR）？ 100）纯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），则C-聚苯胺薄膜表现出更好的响应和恢复时间。一些团体已经在开发的石墨烯片基传感器阵列电子鼻的配置来检测有机蒸汽，和凯斯西储大学的工作人员已经用金属传感器/氧化金属（四氧化三铁/ Au）的微图案的石墨烯薄膜这被认为是高度选择性的乙醇阵列，甲醇

13、和甲醛蒸气ppm级。从大学耐人寻味的工作由一组明尼苏达涉及无线燃气/蒸汽传感器，利用在石墨烯量子电容（QC）的效果，一个泡利不相容原理的可观察到的表现。单层石墨烯具有态很低密度（在每个能量间隔状态在每个能级数可对由电子占据），这导致了强大的QC效应，借此静电电位变化随着电子被添加或从石墨烯移除。该传感器由一个金属氧化物的石墨烯可变电容器的（变容二极管），耦合到电感器，产生谐振振荡电路。在石墨烯表面吸附的水增大了已经稍微p型空穴浓度石墨烯哪个转移费米能级进一步从狄拉克能量，增加电容，从而减少了法改会电路的谐振频率。谐振频率被发现按比例变化的水蒸汽在范围浓度相对湿度（RH）值1-97的有5.7线性

14、频率偏移？ 0.3千赫/RH该技术可以清楚地施加到检测许多气体和蒸气，作者认为，结果代表一个新的传感器转导机制和铺平道路，为石墨烯QC传感器，适用范围广的化学和生物传感应用。Chemical sensors化学传感研究界正在调查使用多种不同的纳米材料，并有一个工作涉及石墨烯的越来越多，在许多的情况下，正被用于修改离子选择性电极，在特别是修饰玻碳电极和场效应管。反映现有化工的主要应用传感器，更旨在发现环境污染物和一些品种的临床兴趣和摘要信息最近报道的工作列于表。明尼苏达组前面提到的大学有还使用了QC /变容技术，采用超小型，被动式无线传感器用于体内检测血糖。本利用葡萄糖和之间的公知的反应葡萄糖氧

15、化酶（葡萄糖氧化酶），其释放出的氢过氧化物。石墨烯的表面官能用葡萄糖氧化酶，以及生产的过氧化氢从石墨烯表面化学发光法检测测量。石墨烯量子点（GQDs，图7）是其表现出有趣的现象零维材料由于量子限域和边缘效应。与他们的半导体同行，他们最近吸引了很多息，并开始在化学传感待研究上下文。工作仍处于初期阶段，但最近的一些公开报告他们在不同的荧光传感使用技术。例如，在2013年，一群来自南昌大学表明，磷酸化肽GQDs可在光致发光猝灭测定法用于检测酶酪蛋白激酶，而在2014年，来自东方的中国工人师范大学，上海，报道的检测使用的分子对硝基苯酚的水样中印聚合物/二氧化硅包覆GQD复合。在对硝基苯酚骤冷的复合材料

16、和传感器的荧光表现出在范围0.02-3.00？克毫升？1的线性响应，以9.00纳克毫升检出限？1。同样是在2014年，另一组中国工人，来自南京理工大学，用于GQDs检测低浓度的铜离子在水溶液中的。该铜离子淬火荧光GQDs的，并且传感器呈线性反应在范围0-15？m，与0.226，检出限？m。作者认为，这LOD足以检测铜在环境样品，甚至在饮用水，其中，美国环境保护局定义的限制是20ü？m。Detecting biological agents作品数量有限的最近有报道关于使用石墨烯的检测生物剂，如细菌和病毒。一群来自印度科学研究所研制通过转移大肠杆菌的检测的传感器CVD法生长的石墨烯膜在柔

17、性基板醋酸和在石墨烯沉积金电极以形成二端，交叉指电容器结构。剩余甲基上的石墨烯基，从转移的过程中，得到的行为作为结合位点的大肠杆菌，并可以观察到的电阻石墨烯的降低而增加的大肠杆菌浓度。这是由于增加空穴掺杂诱导的负充电大肠杆菌，并通过阻抗谱确定以10Hz至100kHz。传感器显示，60的敏感性分在4.5大肠杆菌浓度是多少？ 107 CFU /毫升（CFU？菌落形成单位，活细菌数量的量度）。一群来自韩国科学技术院，科学的韩国高级研究院技术，先后开发了微图案化，降低石墨烯氧化物场效应晶体管（MRGO-FET），用于检测轮状病毒是严重腹泻的最常见的原因其中婴幼儿。使用光刻和减速的过程中，一个MRGO-FET从制造石墨烯氧化物和整合后成聚二甲基硅氧烷微流体通道，具体轮状病毒抗体共价连接到所述石墨烯的表面上。注射轮状病毒样品的浓度范围从1