基于单晶石墨烯晶体管的选择性气体传感器.docx

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1、基于单晶石墨烯晶体管的选择性气体传感器摘要我们发现，在低频噪声频谱，不同的化学物质的蒸气与石墨烯反应产生的可区分地不同的效果。在一个系统的研究可以发现，一些气体改变石墨烯器件的电阻不改变其低频噪声频谱，而其他气体通过诱导洛伦兹元器件有特色修改噪声频谱。对不同化学品，洛伦兹噪声的特征频率fc凸出在石墨烯器件是不同的;四氢呋喃和氯仿蒸气特征频率变化分别从fc=10至20赫兹和fc=1300至1600赫兹。所获得的结果表明，与其他传感参数组合的低频噪声可以允许实现基于单晶石墨烯晶体管的选择性气体传感器。对于该基于单晶石墨烯晶体管的气体传感器，

2、我们使用的方法， 不需要石墨烯表面功能化以及制造调谐到一个特定的化学物质的阵列式器件。关键词：石墨烯，1/f噪声，选择性气体传感器，洛伦兹噪音石墨烯，分布蜂窝状晶格碳原子的平面板，由于其极高的流动性，导热性和强烈地可调的导电性，而且可以用栅极偏置控制，吸引了广泛的关注。由于石墨烯具有高频率，模拟，混合信号通信，以及太赫兹波的产生的特性，大量的设备器件应用现在已经被提出。 随着石墨烯的化学气相沉积法（CVD）的增多最新进展以及与其他合成技术与发展结合起来的大规模的质量控制方法使石墨烯在实际应用中变得更加可行。石墨烯，以其极高的表面-体积比

3、，可以成为传感器应用一个自然而然的选择材料。最终单分子灵敏度的石墨烯器件已被证明在早期阶段的石墨烯研究所应用。 一般认为，具有特殊表面-体积比，高的导电性，低热和1/f噪声，相对低的接触电阻，并且能够通过栅极大范围地调制的电导率的石墨烯晶体管，它们在气体传感应用方面有很大的前途。石墨烯的电阻率、声表面波（SAW）的频率、霍尔电阻率和狄拉克电压的偏差已被用作传感参数。灵敏性的石墨烯器件对NH3，NO2，CO，CO2，O2的检测已经被应用。高灵敏度气体石墨烯传感器，可以检测超低浓度（降至<1ppb）的不同的气体以及与气体浓度的线性相关的响应

4、的能力，已经在一些出版物中讨论过（见评论和参考文献）。然而，研究基于石墨烯的选择性气体传感器要比利用所有上述的感测参数的传感器少得多。 在目前的工作中，我们已经证明 低频噪声可以被用作提高选择性的感测参数。我们建议，电阻率或其它直流参数可以作为定量参数来测量气体浓度，低频率的噪音可以帮助个体气体之间进行区分。由于石墨烯和碳纳米管（CNT）之间的一些属性的相似性，例如，大的表面-体积比，高电子迁移率，可以预期，石墨烯的电位传感与如下所述碳纳米管可以被扩展到更广泛的应用类比。例如，碳纳米管已经被用作具有原子分辨率的纳米机械质量传感器。基于单

5、链DNA（ssDNA）的化学传感器已被开发。在裸露的设备中，碳纳米场效应管与单链DNA涂层蒸气响应导致没有检测到电导率的变化。该用单链DNA涂层的碳纳米管维持响应不变而无需传感器通过至少50气体暴光周期刷新。为了提高石墨烯及相关材料的气体反应的选择性，几个石墨烯的制备和功能化的方法已经开发出来。减少氧化石墨烯（RGO）片晶也为蒸汽感应提供了保证。该氧化石墨烯（RGO）薄膜能可逆地和选择性地检测化学腐蚀性的气体，如二氧化氮或氯气。在室温（RT）下蒸气浓度范围为100ppm至500ppb能够实现检测。二维“石墨的”片晶，在垂直定向的基板上，

6、已经对相对低浓度NO2和NH3气体显示出响应。不仅通过化学而且通过生物功能化石墨烯的传感应用已启用，包括通过使用噬菌体展示出肽和DNA的功能化。最近的一些评论总结了石墨烯选择性气体传感器的技术发展水平。传感器的灵敏度通常由电子噪声限制。因此，噪声通常被认为是限制因素的检测器操作的主要途径之一。然而，电子噪声频谱本身可以用作一个传感参数来增加传感器的灵敏度和选择性。例如，聚合物薄膜电阻通过曝光，对不同的气体和蒸汽，影响的不仅是传感器的电阻而且影响该电阻的波动的频谱。这意味着，通过使用噪声与电阻测量组合的感测参数可以增加传感器的选择性。