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Technische Universität Darmstadt

Neue Sensoren für Detektion von Molekülen: Hohe Sensitivität, vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Veröffentlichung in „Advanced Materials“

Darmstadt, 9. September 2021. Forschenden von TU Darmstadt und Karlsruher Institut für Technologie ist es gelungen, einen neuartigen Sensor für Moleküle in der Gasphase zu entwickeln. Ihre Ergebnisse publizierten sie jüngst in der Zeitschrift „Advanced Materials“.

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. Forscherinnen und Forschern ist es nun gelungen einen neuartigen Sensor für Moleküle in der Gasphase zu entwickeln, wie sie in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ berichten.

Das Funktionsprinzip dieser neuen Klasse von Sensoren beruht auf der Kombination von sensitiven Graphen-Transistoren mit maßgeschneiderten metall-organischen Beschichtungen. Diese Beschichtungen können so gestaltet werden, dass sie auf eine Vielzahl von Molekülen spezifisch reagieren. Dadurch wird eine selektive Detektion von Molekülen ermöglicht.

Als prototypisches Beispiel demonstrieren die Autorinnen und Autoren einen spezifischen Ethanolsensor, der im Gegensatz zu kommerziellen Sensoren weder auf andere Alkohole noch auf Feuchtigkeit reagiert. An der Studie beteiligt waren Wissenschaftler vom Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) und der Technischen Universität Darmstadt (TUDa) unter Federführung der Professoren Wolfgang Wenzel (KIT), Christof Wöll (KIT) und Ralph Krupke (KIT, TUDa), Erstautor ist Sandeep Kumar, Doktorand im Fachgebiet Molekulare Nanostrukturen am Institut für Materialwissenschaft der TU Darmstadt.

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 ihre Verfügbarkeit: Zurzeit ist die Kohlenstoff-Form Graphen das einzig kommerziell verfügbare 2D-Material, dessen elektrischer Widerstand auf adsorbierte Moleküle hinreichend reagiert. Um ihn auf breiter Basis für die Sensorik nutzen zu können, muss er mit einer metall-organischen Beschichtung ergänzt werden, die dafür sorgt, dass Graphen dann nur auf spezifische Stoffe reagiert. Bislang kaum erforscht war die Anwendung einer solchen Kombination als Sensor für Gase oder Chemikalien.

Das Team aus Forschenden von TU Darmstadt und KIT verband einen Graphen-Feldeffekttransistor mit einer metall-organischen Gitter-Beschichtung und kombinierte so die positiven Eigenschaften beider Komponenten zu einem neuartigen, leistungsfähigen Sensor: die große Empfindlichkeit und leichte Auslesbarkeit des Graphen-Feldeffekttransistors und die hohe Selektivität der metall-organischen Beschichtung.

Angesichts der zahllosen Variationen von Beschichtungen und der Möglichkeiten, die Oberflächen zwischen Beschichtung und Graphen-Feldeffekttransistoren chemisch zu gestalten, sehen die Forschenden in der Neuerung das Potenzial für die Entstehung einer ganz neuen Klasse von Sensoren mit maßgeschneiderter Selektivität und Empfindlichkeit.

Originalpublikation:

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

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