來自美國堪薩斯州州立大學(xué)化學(xué)工程系的Vikas Berry教授，近日和他的團(tuán)隊(duì)利用石墨烯量子點(diǎn)有效改善傳感器技術(shù)。在這一雙項(xiàng)科研計(jì)劃中，科學(xué)家首先研制出石墨烯量子點(diǎn)；這些超薄的石墨烯片具有優(yōu)越的電子、機(jī)械和光學(xué)性能。其次，他們將這些量子點(diǎn)合并至傳感器的電子隧道中。        為制造石墨烯量子點(diǎn)，工作人員利用石墨納米切割技術(shù)來制造石墨烯納米帶。Berry團(tuán)隊(duì)中的博士后T.S. Sreeprasad用化學(xué)法將這些納米帶橫向劈成100納米厚度，然后將這些量子點(diǎn)在吸濕性超薄纖維上聚集成網(wǎng)狀，并將該纖維兩端系在電極上。這些量子點(diǎn)間隔小于1納米以至于它們不會(huì)完全接觸。聚集在一起的量子點(diǎn)外形就類似玉米穗上玉米粒的結(jié)構(gòu)，玉米粒好比量子點(diǎn)，玉米穗就好比超薄纖維。

       局部濕度能夠改變量子點(diǎn)內(nèi)部的電流，而研究者們則通過調(diào)整濕度來控制量子點(diǎn)的間距。“如果降低該設(shè)備周圍的濕度，超薄纖維就會(huì)失水進(jìn)而收縮，而纖維上的石墨烯成分會(huì)隨之以納米尺度聚攏，這就加快了一個(gè)量子點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)之間的電子輸運(yùn)。僅需讀出電流值，我們就可以知道周圍環(huán)境的濕度”，Berry解釋道。

       Berry說，石墨烯量子點(diǎn)的間距每縮小0.35納米，設(shè)備的傳導(dǎo)性就增加43倍。此外，由于空氣中含有水分，氣壓的降低也會(huì)減少空氣含水量，進(jìn)而使石墨烯量子點(diǎn)更加集聚，大大增加了其傳導(dǎo)性能。量子力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，電子從一個(gè)電極到另一個(gè)非連接的電極的隧穿幾率是有限的，這種幾率以指數(shù)形式跟隧穿距離（亦或叫做電極間隙）呈反比。

       該研究應(yīng)用前景十分廣泛，特別是在改善濕度、壓力和溫度傳感器技術(shù)方面。

       不同于一般的濕度傳感器，這種基于石墨烯的傳感器由于真空條件下極易感應(yīng)的特性而顯得尤為獨(dú)特。Berry說，這些傳感設(shè)備可以合并在宇宙飛船上，用于低濕度測(cè)量技術(shù)要求比較高的外空環(huán)境。此外，該設(shè)備還可用于探測(cè)火星上水的蹤跡，而火星的大氣壓只有地球的一百分之一。在如此高真空的條件下，這種光傳感器測(cè)量濕度的分辨率會(huì)變得更高。

       這種設(shè)備的核心在于電子隧穿調(diào)制技術(shù)；設(shè)備的傳感反應(yīng)通過聚合超薄纖維來實(shí)現(xiàn)。Berry說，目前，團(tuán)隊(duì)正研發(fā)其他的聚合物來擴(kuò)大該設(shè)備的應(yīng)用范圍。

      “如果用易感應(yīng)的聚合物來替代目前的超薄纖維，我們可以制造出一個(gè)全新的不同用途的傳感器”，Berry補(bǔ)充道，“我預(yù)想這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于傳感技術(shù)將產(chǎn)生廣泛而深刻的影響。”

      該研究得到美國國家科學(xué)基金CAREER獎(jiǎng)項(xiàng)40萬美元的資金支持，研究成果發(fā)表在Nano Letters上。（編譯自＂Graphene Quantum Dots May Someday Tell If It Will Rain On Mars＂翻譯：王現(xiàn)）