通過等離子體處理改變石墨烯的結構會產生缺陷，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域發(fā)揮更大的作用，因為它們有助于吸附目標氣體，如氨氣（）。 圖片來源：千葉大學 大場智典

在現代社會中，氣體傳感技術至關重要，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，由日本千葉大學理學研究生院的大場智典副教授帶領的研究團隊，探索出了一條極具前景的途徑，能夠進一步提升石墨烯的傳感性能。

正如他們發(fā)表在《美國化學會應用材料與界面》雜志上的最新論文所述，該團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基團修飾了石墨烯薄片的表面，并產生了可控的缺陷，這些缺陷成為了像這樣的氣體分子的額外結合位點。處理后，研究人員運用了多種先進的光譜技術和理論計算方法，來深入了解石墨烯薄片所經歷的精確化學和結構變化。

研究團隊發(fā)現，等離子體處理過程中使用的氣體，會在石墨烯薄片上產生不同類型的缺陷。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，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，型缺陷是一種結構變化，在這種變化中，石墨烯中的碳原子從在平面上形成三個鍵，轉變?yōu)橐运拿骟w結構形成四個鍵，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合，而不是與原始的石墨烯結合，因此功能化后的石墨烯薄片在接觸時，其電導率變化更為明顯。這一特性可應用于氣體傳感設備中，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（電導率的倒數）變化最為顯著，變化幅度高達 30%。

值得一提的是，該團隊還測試了功能化石墨烯薄片在反復接觸后，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。

大場副教授總結道：“結果表明，與原始石墨烯相比，通過等離子體對石墨烯結構進行功能化處理，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備的發(fā)展奠定了重要基礎。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用于日常可穿戴設備。因此，在未來，任何人都能夠檢測周圍環(huán)境中的有害氣體�！� 希望該領域的進一步研究能夠將這一設想變?yōu)楝F實，推動石墨烯基技術的發(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行功能化，以改善氣體傳感性能》，《美國化學會應用材料與界面》（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構，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