[论文解读] Detection of Individual Gas Molecules by Graphene Sensors

F. Schedin, Kostya S. Novoselov+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2006

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors被引用 14

一句话总结

该论文表明，石墨烯基传感器可通过测量单个分子吸附或脱附引起的离散、阶梯状电阻变化来检测单个气体分子，这些变化通过改变局部载流子浓度一个电子而实现。石墨烯的超低电子噪声使这种单分子灵敏度成为可能，从而克服了传统传感器中固有的噪声限制。

ABSTRACT

The ultimate aspiration of any detection method is to achieve such a level of sensitivity that individual quanta of a measured value can be resolved. In the case of chemical sensors, the quantum is one atom or molecule. Such resolution has so far been beyond the reach of any detection technique, including solid-state gas sensors hailed for their exceptional sensitivity. The fundamental reason limiting the resolution of such sensors is fluctuations due to thermal motion of charges and defects which lead to intrinsic noise exceeding the sought-after signal from individual molecules, usually by many orders of magnitude. Here we show that micrometre-size sensors made from graphene are capable of detecting individual events when a gas molecule attaches to or detaches from graphenes surface. The adsorbed molecules change the local carrier concentration in graphene one by one electron, which leads to step-like changes in resistance. The achieved sensitivity is due to the fact that graphene is an exceptionally low-noise material electronically, which makes it a promising candidate not only for chemical detectors but also for other applications where local probes sensitive to external charge, magnetic field or mechanical strain are required.

研究动机与目标

• 实现接近单个原子或分子量子极限的检测灵敏度。
• 克服固态气体传感器中固有的噪声限制，此类噪声通常比单个分子的信号高出多个数量级。
• 证明石墨烯的极低电子噪声可实现实时解析单分子事件。

提出的方法

• 使用微米尺度的石墨烯场效应晶体管作为传感平台。
• 监测气体分子暴露下石墨烯的实时电阻变化。
• 测量与分子吸附/脱附导致单个电子增加或减少相对应的阶梯状电阻变化。
• 利用石墨烯的高载流子迁移率和低本征电荷噪声，解析亚原子尺度的电荷变化。
• 在受控环境中隔离分子吸附事件，最大限度减少外部干扰。
• 分析电阻波动，识别表明单分子结合的离散、量子化跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯基传感器能否通过可测量的电子变化解析单个气体分子的结合？
• RQ2 石墨烯的低电子噪声在多大程度上实现了对单个分子事件的检测？
• RQ3 离散的电阻台阶如何与石墨烯表面单个分子的吸附或脱附相关联？
• RQ4 能否利用石墨烯等二维材料克服传统固态传感器的本征噪声底限？
• RQ5 当解析单电荷转移事件时，化学传感的根本灵敏度极限是什么？

主要发现

• 石墨烯传感器表现出与单个电子增加或减少相对应的离散、阶梯状电阻变化，这是由分子吸附或脱附引起的。
• 观察到的电阻台阶与每个分子事件转移一个基本电荷一致，证实了单分子检测。
• 所实现的灵敏度仅受系统本征噪声限制，而石墨烯因其卓越的电子特性使该噪声被有效抑制。
• 检测机制依赖于分子结合直接转换为可测量的电子信号，无需信号放大。
• 该系统实现实时解析单个分子事件，展示了在固态平台中实现单分子灵敏度。
• 结果表明，石墨烯是实现电荷、磁场和机械应变超灵敏局域探测的有前途材料。