Neue Sensor-Klasse Beschichtetes Graphen erkennt zuverlässig Moleküle

Das Super-Material Graphen wird für neue Einsatzmöglichkeiten gerüstet: Forscher der TU Darmstadt und des Karlsruher Instituts für Technologie beschichteten das 2D-Material mit einem funktionalen Gitter. Das Ergebnis: hochempfindliche und selektive Sensoren, die jeweils auf ein bestimmtes Analyt-Molekül angepasst werden können.

Darmstadt, Karlsruhe – Ob in Smartphones, Autos, Industrieanlagen oder Forschungslaboren: Sensoren sind bereits heute allgegenwärtig und bilden die Basis unserer modernen Welt. Für den technologischen Fortschritt ist deshalb die Weiter- und Neuentwicklung von selektiven und sensitiven Sensoren von großer Bedeutung. Wissenschaftlern der TU Darmstadt und des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, einen neuartigen Sensor für Moleküle in der Gasphase zu entwickeln.

Das Funktionsprinzip dieser neuen Klasse von Sensoren beruht auf der Kombination von sensitiven Graphen-Transistoren mit maßgeschneiderten metall-organischen Beschichtungen. Diese Beschichtungen lassen sich so gestalten, dass sie auf eine Vielzahl von Molekülen spezifisch reagieren. Dies ermöglicht eine selektive Detektion von Molekülen. Als Beispiel demonstrieren die Autoren einen spezifischen Ethanol-Sensor, der im Gegensatz zu kommerziellen Sensoren weder auf andere Alkohole noch auf Feuchtigkeit reagiert.

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Empfindlich und selektiv zugleich

Die neuartigen Sensoren schließen eine bestehende Lücke in der Sensorik. Bereits in Verwendung sind 2D-Materialien, also kristalline Stoffe, die aus einer einzigen Schicht von Atomen oder Molekülen bestehen. Das Problem ist, es gibt derzeit nur ein geeignetes kommerziell verfügbares 2D-Material: Nur Graphen hat einen elektrischen Widerstand, der auf adsorbierte Moleküle hinreichend reagiert, um als Sensor zu funktionieren. Damit Graphen für viele verschiedene Analyten einsetzbar ist, muss es mit einer metall-organischen Beschichtung ergänzt werden, die dafür sorgt, dass Graphen nur auf spezifische Stoffe reagiert. Bislang kaum erforscht war die Anwendung einer solchen Kombination als Sensor für Gase oder Chemikalien.

Das Forscherteam aus Darmstadt und Karlsruhe verband einen Graphen-Feldeffekttransistor mit einer metall-organischen Gitter-Beschichtung. Der Graphen-Feldeffekttransistor steuerte seine große Empfindlichkeit und leichte Auslesbarkeit bei, die metall-organische Beschichtung sorgte für die hohe Selektivität. Aus der Kombination dieser Eigenschaften ging ein neuer, leistungsfähiger Sensor hervor.

Angesichts der zahllosen Variationen von Beschichtungen sowie der Möglichkeiten, die Oberflächen zwischen Beschichtung und Graphen-Feldeffekttransistoren chemisch zu gestalten, sehen die Forscher großes Potenzial in ihrer Entwicklung. Die neuartigen Sensoren könnten eigene Klasse mit maßgeschneiderter Selektivität und Empfindlichkeit begründen.

Originalpublikation: Kumar S. et al.: Sensing molecules with metal-organic framework functionalized graphene transistors. Advanced Materials (2021); DOI: 10.1002/adma.202103316

* S. Paradowski, Technische Universität Darmstadt, 64289

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