מבוא ל Graphene

Graphene הוא דו-ממדי של פחמן המורכב שכבת יחיד של אטומים מסודרים בלחיצות דבש, מאז בידודו בשנת 2004 על ידי אנדרה גייים וקונסטנטין נובופוסלוב, חומר זה משך עניין מחקר אינטנסיבי עקב רמות הגילוי יוצאי דופן שלו.עם שטח משטח ספציפי של 26302 / g, ניידות אלקטרונים מעל 2002 / VVs, וכוח מכני גדול יותר מאשר חיישנים חשמליים רבים, 000, 000, 000, 000, 000 נטייה גבוהה יותר של חומר נפץ, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נטייה גבוהה יותר מאשר גרף רחב יותר מאשר גרף רחב יותר של חומר נפץ מקומי, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נטייה גבוהה יותר של חומר זה, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נטייה מגנטית שטח שטח שטח שטח שטח שטח שטח שטח שטח של חומר זה, 000 נטייה מגנטית שטח של שטח שטח של שטח של חומר זה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נטייה גבוהה יותר של שטח של שטח של שטח של שטח של שטח של שטח

הצורך הגדל של מערכות ניטור סביבתיות בזמן אמת, בעלות נמוכה, וניידות הניעו את חקר המכשירים מבוססי גרפן.בין אם ניטור איכות האוויר במרכזים עירוניים, מעקב אחר זיהום מים באפקטים תעשייתיים, או גילוי גזים רעילים בהגדרות חקלאיות, גרפן מציע פלטפורמה מגוונת. מאמר זה דל לתוך המנגנונים אשר על ידי גרף משפר את הרגישות, לחקור אזורי יישום מרכזיים, להשוות חיישנים והופכים את הסיכויים החומריים אלה.

מדוע Graphene משפר את הרגישות

הרגישות יוצאת הדופן של חיישני הסביבה המבוססים על גרפן נובעת משילוב של מאפיינים פיזיים וכימיקליים שעובדים באופן סינרגיסטי.כל תכונה תורמת ליכולת המכשיר לזהות הפרעות מינימליות בסביבה ולהפוך אותם לסימנים חשמליים.

High Surface-to-Volume Ratio

כל אטום בגרף חד-שכבות הוא אטום משטח.תצורה זו מספקת מספר עצום של אתרים פעילים עבור אינטראקציה אנאלית. כאשר מולקולה גז, יון מתכת כבד, או מודעות תרכובות אורגניות תנודתיות על גרפן, זה גורם שינוי בצפיפות המטען המקומי באמצעות doping או העברה מטען. כי החומר כולו מגיב לפרסומות או הפרעות, שינויים משמעותיים בהתנהגות נמוכה יותר (Gאפקטים) יש אפילו גרף אחד של גרף אחד של חנקן (אפקטים) על חנקן אחד של חנקן אחד) באופן חריגה של גרף אחד (אפקטים).

מוליכים חשמליים ושפל נמוך

Graphene מתגאה ניידות אלקטרון אוויר-temperature המתקרבת ל-150 אלף ס"מ / V-s, אשר מבטיחה כי אפילו שינויים קטנים בריכוז המוביל מתורגמים לתוך וריאציות מתוחות נוכחיות או מתוחות. יתר על כן, הרעש האלקטרוני הנמוך שלה (1/f רעש) בהשוואה לחומרים רבים של מוליכים למחצה משפר את יחס הרעש התחתון של אותות משקל נמוך יותר, כלומר החיישן יכול להבחין בין אותות רקע, המאפשר זיהוי זה הוא לעתים קרובות על ידי חומרים קריטי עבור חומרים אלה.

תפקוד כימי וספקטרום

בעוד גרפן prise רגיש למודעות רבות, זה חסרסלקטיביות. חוקרים להתגבר על הגבלה זו על ידי פונקציונליות שווה ערך או לא שווה ערך משטח גרפן עם קולטנים ספציפיים, קישורים, או זרזים.לדוגמה, פונקציונליזציה עם ננו-חלקיקי מתכת (למשל, חיתול מימן) או עם רצועות אורגניות כי מתכות כבדות יכולות לשרת באופן דרסטי גרפים כגון גולגולת (למשל, גרף יחיד) גרף) גרף (למשל, זיהוי חמצן יחיד) גרף יחיד) גרף (למשל, גרף יחידני).

רובוסטנטיות מכנית וגמישות

חיישני הסביבה פועלים לעיתים קרובות בתנאים קשים - לחות גבוהה, טמפרטורות קיצוניות, או רטטים פיזיים.כוח מכני של Graphene (כוח רב-קרקעי של בריחת שתן - 130 GPa) וגמישות (יכול להיות כפוף לרדיפת של כמה מיקרומטר) להבטיח כי החיישן שומר יושרה מבני וביצוע עקבי.זה חיוני עבור מכשירים עמידים שדה-מסוגים כי חייב לתפקד לתקופות מורחבות ללא החלמה או החלפת.

העברה מהירה אלקטרון קינטית

ביישומים אלקטרוכימיים של חישה, גרפן משמש כחומר אלקטרודה עם קצב העברת אלקטרונים מהיר בממשק. צפיפות גבוהה של מדינות אלקטרוניות ליד הנקודה Dirac מאפשר העברת אלקטרונים ישירה בין האלקטרודה לבין מינים Redox. הנכס הזה מאיץ את זמן התגובה של חיידקיום לגילוי מתכות מומסות או ממזהמים אורגניים במים, לעתים קרובות מניב תוצאות בתוך שניות יותר מאשר.

יישומים ב- Environmental Monitoring

חיישנים מבוססי Graphene הוכחו עבור מגוון רחב של אבקות סביבתיים, גזים אטמוספריים ועד זיהום מים ילידים.הסעיפים הבאים מפורטים יישומים ספציפיים שבו הרגישות של גרפן מציעה יתרונות טרנספורמטיביים.

גזים רגישים לאיכות האוויר

זיהום אוויר הוא דאגה בריאות גלובלית, עם גזים כגון חנקן דו חמצני (NO2), sulfur דו-חמצני (SO2), אוזון (O3), פחמן חד-חמצני), ותרכובות אורגניות תנודתיות (VOCs) הדורשות ניטור רציף. Graphene chemires ו- FET הראו רגישות מתאימה גזים אלה.

גילוי מתכת כבד במים

מתכות כבדות כגוןעופרת (Pb2+), כספית (Hg2+), קדמיום (Cd2+), ואסרניק (As3+) הן רעילות גם ברמות מעקב. Stripping Volmetry באמצעות אלקטרודות גרף-מתונות גרף (Cred2+) מאפשר גרף רחב יותר של גרפים מבוססי גרורות (pVn) המכילות מספר רחב של גרף של גרף המכילה גרף המכילה נפח מתכתי ראייה (pvn) של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף יחיד (pine) נמוך יותר מגובה של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של 10 גרם).

קונטמינים אורגניים ופסטידס

מטבוליזם, עשבים, ופריטי שאריות במים ובמזון מהווים סיכונים סביבתיים משמעותיים.חיישנים אלקטרוכימיים מבוססי Graphene יכולים לזהות מולקולות אלה באמצעות חמצון ישיר או באמצעות הכרה אנזאומטית.לדוגמה, ביוסנסטור באמצעות גרף זיהוי גרפין עם אותות ספציפיים של שדה מגנטית (pcacitylcholinesterase) יכול לזהות חומרי הדברה כגון parathion ומחוסר-תזונה ברמות ננו-ת-ת-ת-מחדשות נמוכות יותר כמו גרף-מאט (מאט) באופן דומה).

הומור וטמפרטורות

מוליכות החשמל של Graphene משתנה עם לחות עקב דחיסות מולקולה מים ו מוליכות פרוטטונית ב גרף oxide. חיישנים מבוססי GO- GO-based לחות מפגינים זמני תגובה אולטרה-ארוכים (מיל שנייה) ורגישות גבוהה על פני טווח לחות יחסי רחב (0–100%) תכונות אלה מנוצלות בתחנות ניטור סביבתיות כדי לעקוב אחר שינויים המשפיעים על פיזור חד-משמעי.

קרינה וגילוי UV

Graphene יכול לשמש גם גלאי רגיש עבור קרינה אולטרה סגול (UV), אשר חשוב ניטור סביבתי של רמות UV השמש וכדי לזהות דליפות במקורות UV תעשייתיים. photocurrent שנוצר גרפן תחת תאורה UV הוא פרופורציה ישר לעוצמה, עם זמנים תגובה בטווח pico השני. פונקציונליזציה עם dots קוונטי יכול להאריך את טווח ספקטרלי, המאפשר זיהוי של להקות שונות.

יתרונות על חיישנים מסורתיים

כדי להעריך את התפקיד של גרפן, הוא להורות להשוות את הביצועים שלה עם זה של טכנולוגיות ניטור סביבתי קונבנציונלי.

יעילות Sרגישות וגבולות גילוי נמוך

חיישני גז אוטומטיים של מתכת-חמצני (למשל, סנואו2, ZnO) בדרך כלל לזהות גזים בטווח pm ודורשים טמפרטורות תפעול גבוהות (200-500 מעלות צלזיוס) כדי להניע תגובות של מודעות אופסציה.ההתחממות הזו מובילה לסחף, צריכת חשמל גבוהה, וחיי סוללה מוגבלים (כולל פלסמה) לעומת זאת, חיישנים להשיג pb בטמפרטורה, הורדת כוח על ידי פקודות של גודל עבור שיטות אלקטרו-אווירה גבוהות (pcto-אופטימיות) כגון אטומיות) או בדיקות זמן אטומיות (DRMIST) אטומיות) או ירידה) הן יכולות נמוכות (DRMISTValtectdumtradial).

תגובה מהירה יותר ושיקום הזמנים

בשל הקינטיקה מהירה של העברה מטען וחסמים דיפוזיה מינימליים (עובי יחיד-atom), מודעות ותהליכי מחיקה להתרחש במהירות.זמני תגובה אופייניים עבור חיישני גז גרפן הם מתחת 10 שניות, עם התאוששות מלאה בטמפרטורת החדר לעתים קרובות בתוך דקות. ניגודים אלה עם חיישנים תחמוצמי מתכת מוליכים, שבו התאוששות עשויה לדרוש חימום למאות מעלות לתקופות מורחבות.

מינימום וכוח נמוך

Graphene יכול להיות מוטבע לתוך מיקרו- וננומטרי מכשירים באמצעות ציטוגרפיה סטנדרטית או טכניקות הדפסה.גמישות של החומר מאפשרת שילוב על תת-שכבות גמישות כמו PET או פולימדן, המאפשרים צגים סביבתיים מסוגים או מותאמים אישית מסוג מותאמים אישית אלה לצרוך מיקרו-וואט כדי מילימטרים, מה שהופך אותם אידיאלי עבור האינטרנט-of-of- Things (חיישנים מסורתיים שניתן לפרוססים באזורים מרוחקים או חיישנים אופטיים במיוחד.

סקלאלה ועלויות-Effectiveness

בעוד ייצור גרפן מוקדם היה יקר, שיטות כגון זיהום כימי (CVD) על נחושת ופירוק-phase exfoliation (LPE) של גרפיט יש להוריד עלויות באופן משמעותי. oxide יכול להיות מיוצר בכמויות גדולות באמצעות שיטת Hummers, והפחתה מאוחרת של rGO עם איכות סבירה עבור יישומים רבים.

Multimodal Sensing Capability

Graphene יכול להיות מונדס לתוך מערך חיישן להגיב על פינות שונות בו זמנית. שבב יחיד יכול לשלב ערוצי גרפן מרובים, כל אחד פונקציונלי עם קולטנים שונים, כדי ליצור האף האלקטרוני או הלשון. מנגנונים כאלה מאפשרים זיהוי דפוס עבור תערובת מורכבת, מתן תמונה הוליסטית של איכות סביבתית כי חיישן חד-פעמי לא יכול לעתים קרובות לדרוש מכשירים נפרדים עבור כל חומר.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות המדהימים, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני חיישנים גרפן להשיג פריסה מסחרית נרחבת ניטור סביבתי.

אפשרויות ל-Real Environments

פריטיסטין גרפן ואפילו כמה גרסאות פונקציונליות יכול לסבול מחוסר רגישות לחצות לחות, תנודות טמפרטורה, והפרעה גזים (למשל, CO2, מים vapor) לדוגמה, חיישן גרפין NO2 עשוי להגיב גם לשינויים הלחות ממין, ייצור אופטימיזציה כוזבת עם אתרים ספציפיים או שימוש במסגרות מתכת-אורגניות (MO) הם גם מגיבים להפרעות פעילות, אבל מסייעות לסינון נתונים אלקטרוניקה.

יציבות לטווח ארוך ודפוסי

חומרי Graphene, במיוחד rGO, יכולים לעבור חמצון איטי או agglomeration במשך שבועות או חודשים של חשיפה רציפה אוויר או מים. קבוצות פונקציונלי חמצן ב GO עשוי גם להתפתח, שינוי בסיס חיישן. Encapsulation עם שכבות מגן (למשל, ציפויי פולימר, hBN) או טכניקות מעבר יכול לשפר את החיים, אבל הם גם עשויים להפחית את הרגישות הנוכחית.

חידוש בייצור

הביצועים של חיישני גרפן תלויים באופן ביקורתי על האיכות, מספר השכבות, צפיפות פגומה, ורמת מינון של החומר. Variability בין אצווה נשאר אתגר משמעותי עבור הסקאלה התעשייתית.נוזל-phase exfoliated גרפן יש לעתים קרובות התפלגות גודל רחב flake, בעוד גרף CVD יכול להיות גבולות דגנים המשפיעים על איכות סטנדרטית ופרוטוקולים הדרושים כדי לענות חיישנים הדרושים כדי לענות על מנת לענות על חיישנים הדרושים כדי לענות על מנת לענות על חיישנים נדרשים.

שילוב עם מערכות IoT ונתונים

עבור חיישני גרפן להיות באמת טרנספורמטיבי עבור ניטור סביבתי בקנה מידה גדול, הם חייבים להיות משולבים בצורה חלקה ברשתות חיישן אלחוטי עם ניהול חשמל אמין שידור נתונים.טבע הכוח הנמוך של חיישנים גרפן הוא נכס, אבל אתגרים כוללים מיזוג אותות על שבב (סימול, אנלוגיה אל-דיגיטלי) והתנגדות להפרעות אלקטרומגנטיות. Packaging כי מגן על החיישן תוך מתן חשיפה לסביבה (למשל, באמצעות ננומטרה) הוא גם שדה קריטי עבור פריסה.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

תחום החיישנים הסביבתיים של גרפן מתפתח במהירות, עם מספר דרכים מבטיחות שיכולות להתגבר על המגבלות הנוכחיות ולפתוח יישומים חדשים.

חומרים היברידיים ו- Composite

שילוב גרפן עם ננו-חומרים אחרים - כגון צינורות פחמן (CNTs), מעבר מתכת dichalcogenides (TMDs), או פולימרים מוליכים - יכול להניב תכונות סינרגיסטיות. לדוגמה, גרפן-MoS2 hetero Structure גז חיישן מראה רגישות משופרת וסלקטיביות בהשוואה לחומר בודד.

Machine Learning and Data Analytics

ניטור סביבתי מודרני מייצר כמויות עצומות של נתונים ממערך חיישן.מכונות למידה אלגוריתמיות, כולל רשתות עצביות ומכונות וקטורת תמיכה, יכול לעבד את דפוסי התגובה הרב-ממדיים ממערך חיישן גרפן כדי לזהות ולכמת מספר רב של חומרים בו זמנית. גישה זו למעשה לפצות על רגישות בין-ידי טיפול בתבנית התגובה כולה כמו טביעת אצבע.

פלטפורמות גמישות ולבוש

הגמישות של גרפן מאפשרת פיתוח של צגים סביבתיים לבישים המשולבים בבגדים, פסים, או כתמים. מכשירים כאלה יכולים לספק רמות חשיפה אישיות למזהמים אוויריים, מה שמעצים אנשים לקבל החלטות מושכלות על המסלולים או הפעילויות שלהם. אבטיפוסי מחקר הראו כי חיישני גז מבוססי גרפן על תת-שכבות גמישות יכולים לעמוד במחזורים חוזרים (השפלים) ללא ביצועים משמעותיים עם היתרי תקשורת קרובים (NFC) או סמארטפונים דלתיים (Lowble Media).

חיישנים חזקים

שילוב חיישנים גרפן עם טכנולוגיות קציר אנרגיה - כגון nanogenerators triboelectric (TENGs) או מכשירים אדזואלקטריים - יכול ליצור צמתים ניטור מופעלים עצמית. מוליכים של Graphene ושטח משטח גבוה להפוך אותו אלקטרודה מעולה עבור TenGs. חיישן איכות אוויר מופעלת עצמית כי קציר אנרגיה מרוח או רטטים יכול לפעול ללא הגבלת זמן, אידיאלי עבור מרוחק או במקומות בלתי נגישים.

פלטפורמות מרובות פונקציונליות

מכשירים עתידיים עשויים לשלב חישה, עיבוד נתונים ואפילו פונקציות תיווך.לדוגמה, מסנן גרפן כי בו זמנית מזהה ומסיר מתכות כבדות מן המים על ידי מודעות.חומר זה יכול להיות regenerated אלקטרוכימי או כימית, יצירת מערכת גמישה. פלטפורמות רב תפקודיות כאלה עם הדגשה הגוברת על קיימות וכלכלה מעגלית בטכנולוגיה סביבתית.

מסקנה

Graphene יש התקדמות בסיסית הרגישות והביצועים של מכשירים ניטור סביבתיים.שטח השטח שאין כמוהו, תכונות חשמל ועוצמה מכנית מאפשרות זיהוי שלמזהמים ברמות מעקב שהיו בעבר בלתי נגישים עם חיישנים קונבנציונליים.מ ניטור איכות אוויר בזמן אמת עם חומרים רגישים כוח נמוך, טיפול פסיכולוגי לא רק כדי להפחית את איכות הסביבה של חומרים ניידים בפונקציונליות גבוהה, תוך מתן רגישות סביבתית גבוהה יותר, תוך כדי מענה מהיר יותר, ופוטנציאל רב יותר, תוך כדי מענה לבעיות ייצור נמוכות, כמו גם בעיות מורכבות, כמו גם חומרים סטנדרטיות, ואפקטיביות סטנדרטיות סטנדרטיות סטנדרטיות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 איכות הסביבה של איכות חיים סטנדרטיות מתמשכת, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל יותר, 000, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000 יעיל יותר, 000, 000 איכות הסביבה של איכות הסביבה של איכות הסביבה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כוח המשיכה להיות מסוגלות מתמשכת, 000 כוח המשיכה להיות יעיל