通過等離子體處理改變石墨烯的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生缺陷，比如碳空位和氧化位點。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，因為它們有助于吸附目標(biāo)氣體，如氨氣（）。 圖片來源：千葉大學(xué) 大場智典

在現(xiàn)代社會中，氣體傳感技術(shù)至關(guān)重要，它不僅保障了我們在家居和工作場所的安全，還在環(huán)境污染監(jiān)測和工業(yè)生產(chǎn)過程監(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)時間和功耗方面常常存在局限。

為了克服這些缺點，近期氣體傳感器的研究重點轉(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較低，能夠在室溫下實現(xiàn)超高靈敏度，同時功耗極低。因此，石墨烯有望徹底革新氣體檢測系統(tǒng)。

在這樣的背景下，由日本千葉大學(xué)理學(xué)研究生院的大場智典副教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，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《美國化學(xué)會應(yīng)用材料與界面》雜志上的最新論文所述，該團(tuán)隊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有毒化合物氨氣（）的檢測靈敏度。來自千葉大學(xué)的巖上崇吾先生和薬司俊也先生共同參與了這項研究并撰寫了論文。

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，它通過附著特定的化學(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。處理后，研究人員運用了多種先進(jìn)的光譜技術(shù)和理論計算方法，來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)隊發(fā)現(xiàn)，等離子體處理過程中使用的氣體，會在石墨烯薄片上產(chǎn)生不同類型的缺陷。大場副教授解釋道：“等離子體處理會使石墨烯發(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)過處理的石墨烯則同時含有這兩種缺陷。”

需要說明的是，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鍵，轉(zhuǎn)變?yōu)橐运拿骟w結(jié)構(gòu)形成四個鍵，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，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，以檢測和量化的存在。特別是氧化石墨烯，在接觸時，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)隊還測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。

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

總體而言，這項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)。大場副教授對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，這項研究中開發(fā)的功能化石墨烯薄片可應(yīng)用于日常可穿戴設(shè)備。因此，在未來，任何人都能夠檢測周圍環(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，推動石墨烯基技術(shù)的發(fā)展。

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

引用信息：《通過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