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石墨烯新技能:識别氣體

【成果簡介】

氣體分子的無标記識别在芯片制造,炸藥檢測和醫學診斷方面具有良好的前景。近年來,電氣裝置的靈敏度已經被提升到納米材料的單分子水平,使用等離子體的氣體分子的折射率檢測已經接近非常高的靈敏度,但是,由于在檢測過程中,不存在與氣體分子的組成和結構相關聯,導緻無法識别沒有分子标記的分子種類。最近,依靠基于表面增強紅外吸收(SEIRA)光譜石墨烯等離子體共振的分子共振模式,将這些氣體分子重新分布到石墨烯表面附近(例如,通過吸附,光學力或介電電泳力),由等離子體光限制引起的額外增強可能揭示分子振動模式。

最近,中國科學院納米光子學研究所戴慶研究員,芬蘭阿爾托大學Sun Zhipei教授和美國明尼蘇達大學Tony Low教授合作,使用石墨烯等離子體探測旋轉振動模式來無标識識别SO2,NO2,N2O和NO氣體分子,由于石墨烯等離子體的強限制性和石墨烯納米帶上的氣體分子的高物理吸附,使得吸附在石墨烯表面上的檢測到的氣體分子層的濃度為800 zeptomole/μm。此外,通過進一步實驗證明了所設計的設備的快速的響應時間(<1分鐘),可實現對氣體化學反應的實時監控。使用石墨烯等離子體納米結構對氣體分子識别,能夠為包括呼吸診斷和揮發性有機化合物的監測在内的新興應用打開大門。相關研究成果以“Gas identification with graphene plasmons”為題發表在 Nature Commun. 上。

【核心内容】

石墨烯納米帶設備用于氣體識别

石墨烯新技能:識别氣體

Figure 1. 用于進行氣體識别的石墨烯等離子體裝置。a)實驗設備的示意圖,帶有滲壓計的金屬腔用于精确控制氣體參數。使用入射紅外光束激發石墨烯帶陣列中的等離子體,并通過栅極電壓(Vg)的靜電摻雜進行原位調諧。等離子體與激發分子耦合,從而探測氣體分子的旋轉振動光譜;b)石墨烯納米帶(GNR)的拉曼光譜與其中一個未圖案化的石墨烯片的比較;c)典型的GNR的等離子被限制的帶寬為70nm;d)用于SO2氣體鑒定的GNRs的實驗(黑色曲線)和模拟(紅色曲線)消光光譜。

自制的紅外透明氣室設計用于測量透射率和進行紅外光譜分析,該室配有高精度滲壓計和流量計,可精确控制氣體輸入。石墨烯納米帶陣列的寬度(W)設計在25-100nm範圍内,填充率高達90%,可在寬中紅外光譜範圍内實現強等離子體場增強。石墨烯等離子體的特征在于超高模式限制,其可以增強其相關的消逝場和相鄰的氣體分子之間的相互作用。此外,這種效果減少了對大量氣體分子進行檢測的需要。石墨烯納米結構進行氣體檢測和鑒定測量是通過使用傅裡葉變換紅外光譜(FTIR)記錄它們的IR透射光譜來進行的,值得注意的是,應該用更薄的氣室獲得類似的結果,因為石墨烯附近的分子層的密度應該僅取決于氣相中的分子濃度,而不取決于腔室的實際尺寸。因此,當腔室不含氣體(即真空)時,我們的等離子體裝置的每個消光光譜中隻有一個突出的等離子體峰。

實時氣體識别

石墨烯新技能:識别氣體

Figure 2. 實時氣體的識别。a)在SO2氣體完全進入-出去的循環過程中, 實時等離子體增強的旋轉振動模式響應;b)等離子體增強SO2信号強度的動力學圖。

進一步研究所設計的設備的實時相應,記錄一系列消光光譜,同時将SO2氣體加入,然後從室中洗出。如圖所示,在将SO2氣體引入室中1.5分鐘後記錄的消光光譜中,P和R模式的突出峰開始可辨别,這表明SO2分子進入腔室并在1.5分鐘内依靠可檢測量的氣體分子的物理吸附重新分布到石墨烯層上,随後,檢測到的信号繼續增加并在15分鐘後達到最大值。這表明在15分鐘後石墨烯裝置上的氣體分子的物理吸附濃度達到峰值。純的N2氣體被引入之後,SO2被解吸,這造成了的SO2等離子體增強的IR響應的逐漸降低,在圖2b中也觀察到快速解吸。結果清楚地表明我們的設備可以對氣體分子進行實時監測,并且可以用N2重複使用流動,去除物理吸附的分子。

鑒定氣體分子

石墨烯新技能:識别氣體

Figure 3. 不同氮氧化物的鑒定。a-c)分别表示在N2O,NO2和NO的存在下,石墨烯的消光光譜,該旋轉振動模式用垂直線标記;d)石墨烯在兩種混合物氣體存在下的消光光譜,一種由NO2,SO2和N2O組成,另一種有SO2和N2O組成。

使用石墨烯等離子體來識别氮氧化物(即NO,NO2和N2O)等類似分子,使其優勢所在。圖3a-c分别顯NO,NO2和N2O氣體的等離子體響應。可以從它們的旋轉振動指紋峰中清楚地識别這些氮氧化物。此外,這些氣體可以使用所設計的設備來區分。圖 3d顯示了兩種氣體混合物的消光光譜,一種含有SO2和N2O,另一種含有SO2,N2O和NO2。這些結果證實,使用設計的石墨烯納米帶裝置可以清楚地識别氣體混合物中每種分子種類的旋轉振動指紋峰。

在化學反應過程中監測氣體組分

石墨烯新技能:識别氣體

Figure 4. 化學反應過程中氣體分子的識别。從從下到上分别為:在沒有氣體(真空),通入氧氣1分鐘和1.5分鐘後的室内,等離子體增強分子信号。

實時準确地識别氣體分子是非常有用的,例如監測氣相化學反應。在圖4中,測得等離子體增強響應,這些實時測量具有高度選擇性,能夠直接觀察化學反應,這些反應在需要分析原位化學反應的應用中具有很大的潛力。

【結論展望】

總之,即使氣體分子具有相似的成分,也能使用石墨烯等離子體進行實時和無标記的氣體識别,石墨烯等離子體也可以明确地區分不同類型的氣體。這一先進功能為氣體傳感和識别提供了令人振奮的前景,包括檢測稀釋污染物和監測化學反應。可以通過設計利用光學傳感器梯度,介電電泳力和随着溫度變化的物理吸附進一步提高所設計的石墨烯等離子體裝置的靈敏度和時間分辨率。

Hai Hu, Xiaoxia Yang, Xiangdong Guo, Kaveh Khaliji, Sudipta Romen Biswas, F. Javier García de Abajo, Tony Low, Zhipei Sun & Qing Dai,Gas identification with graphene plasmons, Nature Commun., 2019, DOI:10.1038/s41467-019-09008-0 

本文來自能源學人會,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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