CENIDE: News

© Fakultät für Physik, UDE
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Gase mit höchster Präzision detektieren Drucksensor auf Graphen-Basis

[21.12.2020]

Die Permeationszeit ist entscheidend: Einem Forschungsteam, bestehend aus der CENIDE-Arbeitsgruppe von Prof. Marika Schleberger sowie der TU Delft (Niederlande) und der Université Caen Normandie (Frankreich), ist es gelungen, einen auf Graphen basierenden Drucksensor zu bauen, der es erlaubt, Gase mit höchster Präzision zu detektieren. Nature Communications berichtet.

Ultradünne Materialien haben Konjunktur. Während sie kurz nach ihrer Entdeckung vor allem in den Grundlagenwissenschaften Furore machten, rücken die nur wenige Atomlagen dicken Schichten zunehmend in den Fokus anwendungsorientierter Forschung, da ihre optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften neuartige Anwendungen ermöglichen. Die europäische Union hat diese Potential früh erkannt und 2013 das Graphen-Flagship ins Leben gerufen, das in seiner zweiten Phase ebenfalls verstärkt auf Anwendungen zielt.

Graphen ist eine einzelne Lage aus Kohlenstoff mit einer Dicke von weniger als einem Nanometer, die in diesem Fall mit einer definierten Pore versehen ist und ein kleines Gasreservoir abschließt. Die Besonderheit des Sensors ist, dass der Nachweis nicht auf chemischen Reaktionen beruht, sondern auf der Permeationszeit von Gasen durch die poröse Graphen-Membran, die zugleich als Gaspumpe und als Drucksensor fungiert. Die Idee ist simpel: Leichte Gase sind schneller und entkommen damit auch schneller aus dem durch die Membran abgeschlossenen Reservoir als schwere Gase. Die Vorteile im Vergleich zu konventionellen Sensoren sind vielfältig: der vorgestellte Sensor ist extrem klein (siehe Abb.), schnell, energiesparend und dennoch sehr empfindlich.

So einfach das Prinzip zunächst klingt, liegt die Kunst darin, das Herzstück des Sensors – die poröse Graphenmembran – herzustellen und die Permeationsraten mit entsprechender Präzision zu bestimmen. Die AG Schleberger beschäftigt sich seit längerem mit der Herstellung von freitragenden 2D-Materialien für den Einsatz in der Ultrafiltration im FLAG-ERA-Projekt NU-TEGRAM, aber auch als Targetmaterial für die Erzeugung ultrakurzer Ionenpulse im SFB 1242.

Nachdem die Idee geboren war, wurden die ersten Sensoren mit Ionen am Schwerionenbeschleuniger GANIL in Frankreich perforiert, da die AG Schleberger mit den Kollegen dort bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Perforation von Graphen und anderen 2D-Materialien gesammelt hatte. Zuletzt wurden die Poren mit einer fokussierten Ionenquelle erzeugt, was die Herstellung und Messung an der TU Delft erleichtert. Die dort durchgeführten Messungen belegen, dass der Sensor einwandfrei funktioniert.

 

Originalveröffentlichung:
I. E. Rosłoń, R. J. Dolleman, H. Licona, M. Lee, M. Šiškins, H. Lebius, L. Madauß, M. Schleberger, F. Alijani, H. S. J. van der Zant & P. G. Steeneken
High-frequency gas effusion through nanopores in suspended graphene
Nature Communications 11 (2020) 6025
DOI: 10.1038/s41467-020-19893-5

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Marika Schleberger, Experimentalphysik, Tel. 0203/37 9-1600, marika.schleberger@uni-due.de