Благодаря своим уникальным свойствам графен считается наиболее перспективным материалом для будущей наноэлектроники. Поэтому исследование графена, стало сегодня одним из актуальных вопросов физики. Для реального применения графена в электронике большой интерес представляют различные структуры на основе графеновых слоев. Например, некоторые авторы сообщают, что структура из двух разделенных диэлектриком слоев графена может стать основой для создания бездиссипативных линий передачи, другие предложен сверхбыстрый терагерцовый детектор на основе графена, работающий при комнатной температуре также продемонстрировано, что гибридная система из графена и сегнетоэлектрика может стать многозначной системой памяти.

В отличии от существующих аналогов наша модель проявляет очень высокую чувствительность , позволяет перестраивать режим работы под разные химические элементы. Кроме того, сенсор на основе нашей модели будет многоразовым, т.к. процесс его чистки сводится всего лишь к пропусканию электрического тока, определенной величины.

Моя идея основана на результатах, полученных ранее в работах научного руководителя данного проекта. Был обнаружен интересный эффект в эпитаксиальном графене, сформированном на полупроводниковой подложке. Именно, в зависимости электропроводности от концентрации электронов имеются резкие скачки, причем проводимость меняется на 2-3 порядка

На графике видно, что в проводимости появляется резкий скачок. Этот скачок возникает, когда энергия Ферми достигает края запрещенной зоны полупроводниковой подложки

Можно на качественном уровне понять почему так происходит.

Электроны графена для полупроводниковой подложки с энергиями, совпадающими с областью запрещенной щели полупроводника, не могут рассеиваться на подложке, т.е. не могут в неё перейти – это запрещено. Наоборот, вне области щели имеется обмен электронами , т.е. есть рассеяние на подложке. Таким образом, вблизи края щели имеется резкий переход между двумя режимами: режимом несвязанного с подложкой графена и режимом связанного графена. Этот резкий переход и объясняет скачок в проводимости.

Рассмотренный эффект является основой новой модели сенсора.

Принцип работы сенсора состоит из следующих шагов:

1. С помощью источника напряжения и обогащенного носителями заряда подложки, концентрация электронов на поверхности графена повышается до тех пор, пока химический потенциал не достигнет значения, очень близкого к положению края запрещенной щели подложки.
2. С помощью амперметра измеряем силу тока в данном состоянии.
3. Далее адсорбируются атомы элемента, который требуется детектировать.
4. Зарядовый обмен между адатомами и графеном изменит химический потенциал последнего. Тем самым химический потенциал сместится за значение, соответствующее краю запрещенной щели, что приведет к сильному уменьшению проводимости.
5. Сильное уменьшение проводимости приведет к сильному уменьшению тока, т.е. показаний амперметра.
6. По изменению показаний амперметра регистрируется адсорбция атомов.

Предложенная схема сенсора позволяет настроить его для работы в двух режимах

В первом режиме уровень Ферми графена в начале установлен слева от скачка. Скачок происходит при повышении концентрации носителей в графене и не происходит при понижении. Таким образом, наш сенсор срабатывает только при оседании атомов, отдающих графену свои электроны (доноры) и не реагирует на атомы акцепторного типа, на которые электроны переходят из графена.

Во втором режиме наоборот, уровень Ферми установлен справа от скачка. Тем самым скачок произойдет при уменьшении концентрации носителей, т.е. при оседании атомов акцепторного типа и не произойдет при оседании атомов донорного типа.

Таким образом, настраивая сенсор на тот или иной режим мы можем исключить целый ряд веществ, на которые реагирует наш сенсор. Это свойство позволяет настроить наш сенсор под конкретное вещество.

Простейшие расчеты для комнатной температуры и в предположении, что один адатом отдает один электрон, показывают, что минимальная концентрация атомов, регистрируемых таким сенсором может дойти до десяти миллионных долей.

Что же касается многоразовой работы сенсора, то наша идея основана на пропускании тока по графену. Ток повысит температуру графена, тем самым создав колебания атомов углерода. Колебательные движения атомов углерода не позволят связываться с ним чужеродным атомам. Предварительные результаты по очистке показали, что для очистки сенсора требуется ток величиной 10mA.