通過(guò)等離子體處理改變石墨烯的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生缺陷，比如碳空位和氧化位點(diǎn)。這些改變能夠讓石墨烯在氣體傳感器領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，因?yàn)樗鼈冇兄�于吸附目�?biāo)氣體，如氨氣（）。 圖片來(lái)源：千葉大學(xué) 大場(chǎng)智典

在現(xiàn)代社會(huì)中，氣體傳感技術(shù)至關(guān)重要，它不僅保障了我們?cè)诩揖雍凸ぷ鲌?chǎng)所的安全，還在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的氣體傳感器雖然有效，但在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和功耗方面常常存在局限。

為了克服這些缺點(diǎn)，近期氣體傳感器的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了碳納米材料，其中備受矚目的就是石墨烯。這種材料用途廣泛且成本相對(duì)較低，能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)超高靈敏度，同時(shí)功耗極低。因此，石墨烯有望徹底革新氣體檢測(cè)系統(tǒng)。

在這樣的背景下，由日本千葉大學(xué)理學(xué)研究生院的大場(chǎng)智典副教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，探索出了一條極具前景的途徑，能夠進(jìn)一步提升石墨烯的傳感性能。

正如他們發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面》雜志上的最新論文所述，該團(tuán)隊(duì)研究了用不同氣體的等離子體處理石墨烯薄片，是如何以及為何能提高對(duì)有毒化合物氨氣（）的檢測(cè)靈敏度。來(lái)自千葉大學(xué)的巖上崇吾先生和薬司俊也先生共同參與了這項(xiàng)研究并撰寫(xiě)了論文。

研究人員制備了石墨烯薄片，并在氬氣（）、氫氣（）或氧氣（）環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行等離子體處理。這種處理使石墨烯 “功能化”，也就是說(shuō)，它通過(guò)附著特定的化學(xué)基團(tuán)修飾了石墨烯薄片的表面，并產(chǎn)生了可控的缺陷，這些缺陷成為了像這樣的氣體分子的額外結(jié)合位點(diǎn)。處理后，研究人員運(yùn)用了多種先進(jìn)的光譜技術(shù)和理論計(jì)算方法，來(lái)深入了解石墨烯薄片所經(jīng)歷的精確化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，等離子體處理過(guò)程中使用的氣體，會(huì)在石墨烯薄片上產(chǎn)生不同類型的缺陷。大場(chǎng)副教授解釋道：“等離子體處理會(huì)使石墨烯發(fā)生氧化，生成氧化石墨烯；而等離子體處理則會(huì)引發(fā)氫化反應(yīng)，生成石墨烷。光譜分析表明，氧化石墨烯含有碳空位型缺陷，石墨烷含有型缺陷，而經(jīng)過(guò)處理的石墨烯則同時(shí)含有這兩種缺陷�！�

需要說(shuō)明的是，型缺陷是一種結(jié)構(gòu)變化，在這種變化中，石墨烯中的碳原子從在平面上形成三個(gè)鍵，轉(zhuǎn)變?yōu)橐运拿骟w結(jié)構(gòu)形成四個(gè)鍵，這通常是由于氫原子附著在表面所致。

有趣的是，在石墨烯薄片中引入這些缺陷，極大地提高了其對(duì)的傳感性能。由于更容易與缺陷結(jié)合，而不是與原始的石墨烯結(jié)合，因此功能化后的石墨烯薄片在接觸時(shí)，其電導(dǎo)率變化更為明顯。這一特性可應(yīng)用于氣體傳感設(shè)備中，以檢測(cè)和量化的存在。特別是氧化石墨烯，在接觸時(shí)，其薄片電阻（電導(dǎo)率的倒數(shù)）變化最為顯著，變化幅度高達(dá) 30%。

值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了功能化石墨烯薄片在反復(fù)接觸后，其氣敏性能是否會(huì)下降。雖然觀察到薄片電阻存在一些不可逆的變化，但也有一些顯著變化是完全可逆且可循環(huán)的。

大場(chǎng)副教授總結(jié)道：“結(jié)果表明，與原始石墨烯相比，通過(guò)等離子體對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能化處理，能制備出對(duì)氣體傳感性能更優(yōu)越的材料。”

總體而言，這項(xiàng)研究為下一代氣體傳感設(shè)備的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。大場(chǎng)副教授對(duì)他們的研究成果感到十分興奮，并表示：“由于石墨烯是已知的最薄且具有氣體滲透性的材料之一，這項(xiàng)研究中開(kāi)發(fā)的功能化石墨烯薄片可應(yīng)用于日�？纱┐髟O(shè)備。因此，在未來(lái)，任何人都能夠檢測(cè)周?chē)�環(huán)境中的有害氣體�！� 希望該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究能夠?qū)⑦@一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，推動(dòng)石墨烯基技術(shù)的發(fā)展。

更多信息：巖上崇吾等人，《通過(guò)、和等離子體處理對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化，以改善氣體傳感性能》，《美國(guó)化學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面》（2024 年）。DOI: 10.1021/acsami.4c17257

引用信息：《通過(guò)等離子體處理改變石墨烯結(jié)構(gòu)，可制造出更好的氣體傳感器》（2025 年 2 月 25 日），2025 年 3 月 7 日取自https://phys.org/news/2025-02-graphene-sheets-plasma-gas-sensors.html