Chemische Sensoren aus funktionalisiertem Graphen (seit 2013)

Im Rahmen dieses Projekts soll funktionalisiertes reduziertes Graphenoxid (rGO) hergestellt und durch einen nasschemischen Beschichtungsprozess auf Oberflächen immobilisiert werden. Dabei sind im Anschluss insbesondere die resultierenden elektrischen und sensorischen Eigenschaften der Graphen-Schichten von Interesse. Zu Projektbeginn waren graphenbasierte chemische Sensoren zwar bekannt, die Detektion hat sich jedoch auf Gase beschränkt, die durch Reaktion mit dem Graphen die Zahl der Ladungsträger im Graphen verändern und dadurch messbar werden. Der Nachweis von Dämpfen (volatile organische Komponenten, VOC) war jedoch nicht genügend untersucht und auch über den entsprechenden Sensormechanismus oder Adsorptionsplätze der Dämpfe war nichts bekannt.

Materialsynthese: Herstellung von rGO und nasschemische Beschichtung

Kommerziell erhältliche wässrige Graphenoxid(GO)-Suspensionen werden entweder zuerst mit einem umweltfreundlichen nasschemischen Prozess mit Ascorbinsäure reduziert und das resultierende  rGO durch Auftropfen oder –schleudern auf Interdigitalelektroden auf SiO2 aufgebracht. Die nasschemische Reduktion kann dabei mit UV/Vis-Spektroskopie, der Beschichtungsprozess mittels Widerstandsmessungen in-situ verfolgt werden. Eine Funktionalisierung des GO vor der Reaktion mit weiteren organischen Funktionalitäten ist möglich. Dabei spielt die Defektdichte des Graphens eine wichtige Rolle. Andererseits kann das GO auch zuerst aufgebracht und im Anschluss thermisch reduziert werden. In beiden Fällen der Herstellung lässt sich durch Wahl geeigneter Reduktionsbedingungen der Reduktionsgrad des rGO und damit die Leitfähigkeit des Materials einstellen.

Materialcharakterisierung: Charakterisierung von rGO-Schichten

Die Morphologie und Schichtdicke der  nanometerdicken Filme wurde mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM)  gemessen. Mittels Photoelektronen- und Raman-Spektroskopie wurden Informationen über den Reduktionsgrad des reduzierten Graphen-Oxids erhalten. Anschließend wurden die Leitfähigkeiten der Filme in Abhängigkeit der Temperatur untersucht. Diese Messungen dienen auch als Grundlage für die nachfolgend beschriebenen Sensoruntersuchungen.

Funktionsprüfung: Chemische Sensoren für VOC-Dämpfe aus rGO

Dünne rGO-Filme sind chemisensitive Materialien, das heißt, sie verändern eine oder mehrere ihrer Eigenschaften wenn sie einem Analyt, meist einem Gas oder Dampf, ausgesetzt sind. Wir dosieren daher die unterschiedlichen rGO-Filme mit verschiedenen Dämpfen unterschiedlicher Konzentrationen und untersuchen dann, wie sich die Eigenschaften der Netzwerke durch die Adsorption des Analyts verändern. Hier dient die Leitfähigkeit der Chemiresistoren als Messgröße. Dabei zeigen die rGO-Filme ein schnelles Ansprechverhalten und unterschiedliche Empfindlichkeiten für Wasser und organische Dämpfe. Die Selektivitäten sind dabei durch den Reduktionsgrad einstellbar.

Struktur-Funktions-Beziehung: Sensormechanismus

Um detaillierte Struktur-Funktions-Beziehungen aufstellen können, werden derzeit systematische Sensoruntersuchungen durchgeführt. Wir vermuten jedoch, dass sich durch Sorption des Analyts im rGO-Film der Abstand der Graphen-Flocken und  dadurch auch der Ladungstransport im Material ändern.

Aktuelle Fragestellungen

Im Rahmen des Projekts ist es bisher gelungen, rGO-Filme mit unterschiedlichem Reduktionsgrad herzustellen und deren sensorische Empfindlichkeit gegenüber Wasser und volatilen organischen Komponenten nachzuweisen. Erste Ideen bezüglich eines Sensormechanismus konnten entwickelt werden. Die aktuellen Fragestellungen in diesem Projekt beziehen sich auf die Funktionalisierung des rGO mit organischen Funktionseinheiten und anorganischen Nanopartikeln, um die sensorischen Eigenschaften anzupassen.


Kooperationen

Die XPS Messungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Experimentelle Physik (Leiter Prof. D.C. Meyer) die Raman-Messungen mit dem Institut für Theoretische Physik der TUBAF  (Leiter Prof. J. Kortus) durchgeführt. Im Rahmen des Projekts werden zudem in Zusammenarbeit mit Prof. Radmila Tomovska (Institute for Polymer Materials POLYMAT, The University of Basque Country, UPV-EHU, Donostia-San Sebastian, Spain) Polymer-Graphen Komposite und mit der Abteilung für bioanorganische Chemie der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf (Leiter Prof. C. Janiak) nanopartikelfunktionalisierte reduzierte Graphen-Oxide für chemische Sensoren entwickelt.

Finanzierung

Die Finanzierung erfolgt derzeit über Haushaltsmittel.

Ausgewählte Publikationen

  1. Khomenko, V., Dittrich, R., Joseph, Y.; Graphene based chemiresisitive vapor sensors; Procedia Engineering, 120 (2015) 777-780.
  2. Y. Joseph: Sensors for Cyber Chemical Systems, eingeladener Vortrag am MPI für Polymerforschung, Mainz, 14.4.2014.
  3. Y. Joseph: Cyber Chemical Systems, eingeladener Vortrag im Arbeitskreis Cyberphysikalische Systeme des Silicon Saxony, Infineon, Dresden, 12.5.2014.
  4. V. Khomenko, R. Dittrich, Y. Joseph; Graphene Based Gas and Vapour Sensors”; Poster, Bunsentagung 2014, 29 – 31.5.2014, Hamburg , Germany.
  5. V. Khomenko, R. Dittrich, C. C. Himcinschi, J. Kortus, Y. Joseph; Reduced graphene oxide based chemical sensor”; Poster, Nanofair 2014, 1. – 3.7.2014, Dresden, Germany