Kimyasal sensörler, analitler adı verilen spesifik kimyasal bileşiklerin varlığını tespit eden cihazlardır. Kimyasal sensörün tanıma elemanı, üretilen sinyalin değeri analitin konsantrasyonu ile doğru orantılı olan bir dönüştürücü tarafından ölçülebilir bir sinyale dönüştürülen spesifik kimyasal bileşiklerin varlığına duyarlıdır.
Kimyasal sensörler gaz ve elektrokimyasal sensörlere ayrılabilir ve her zaman kimyasal üretim ve işleme taleplerini karşılamak ve aynı zamanda gıda, biyomedikal, farmasötikler ve endüstriyel güvenlik, çevre koruma ve güvenlik.
Gaz Sensörleri
Gaz moleküllerini tespit etmek için grafen bazlı bir sensör, malzemenin elektrik iletkenliğindeki değişiklikleri ölçerek çalışır. Grafen bazlı gaz sensörleri, grafenin yüzeyinde elektron vericileri veya alıcıları olarak hareket eden bir gaz molekülünü adsorbe ederek çalışır.
Çalışmalar, grafen ile iletimde kuantum ölçeği değişikliklerinin ölçülmesinin mümkün olduğunu göstermiştir. Bunu akılda tutarak, tekli gaz moleküllerini tespit etmek için bu sensörleri optimal seviyelerine itme olasılığı makul görünmektedir. Bu nihai hassasiyet, ölçümlerin alındığı sıcaklık ve hedef gazın akış hızı dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlanabilir.
Bu uygulamada, grafen son derece düşük gürültülü bir malzeme olma avantajına sahiptir. Bu nedenle, hiçbir taşıyıcı ve birkaç ekstra elektron sınırında bile, grafenin taşıyıcı konsantrasyonu önemli ölçüde değişebilir. Bu faydaya ek olarak, bu uygulamadaki grafenin monokristaller üzerinde dört-problu cihazların oluşturulmasına olanak sağlamasıdır. Bu, hassasiyetin sınırlandırılmasında temas direncinin herhangi bir etkisinin ortadan kaldırılmasını garanti eder.
Elektrokimyasal Sensörler
Grafenin elektrolit geçitli konfigürasyonlarda etkili bir kimyasal sensör olduğu da gösterilmiştir. Grafen bazlı üst geçit izolatörleri, birkaç milimolar konsantrasyonda bir elektrolitte 1 ila 5 nm kadar ince olarak üretilebilir. Atomik tabaka birikimi (ALD) olan en iyi, üst geçit grafen alan etkili transistörler (FET’ler) bile bu seviyelere uymuyor.
Elektrokimyasal DNA sensörlerinde, glikoz sensörleri gibi oksidaz biyosensörleri için elektrot materyali ve çevre analizinde, özellikle ağır metal iyonu tespitinde, grafen bazlı elektrokimyasal sensörler geliştirilmiştir. Araştırmalar grafenin üç alanda karbon nanotüplerden daha iyi performans gösterdiğini göstermiştir: bir enzimin doğrudan elektrokimyası, küçük biyomoleküllerin elektrokimyasal tespiti ve elektroanaliz. Bu başarıya rağmen, hızla değişmekle birlikte, bu uygulamalar için gereken grafeni toplu olarak üretmek henüz mümkün değildir.
Fotoelektrik Sensörler
Fotoelektrik sensör pazarı esasen şeffaf iletkenlerdeki indiyum-kalay-oksit (ITO) değiştirmeleri ile aynıdır. Grafen’in yüksek elektrik iletkenliği ve neredeyse saydamlığı, fotovoltaik hücrelerdeki ve foto iletken sensörlerdeki şeffaf elektrotlar için çekici bir seçenek haline getirir.
Samsung, ITO yerine grafen kullanan bir dokunmatik ekranlı ekran ürünü üretti, ancak bunun ticari bir girişim mi yoksa sadece gelecek için bir olasılık olarak grafen tabanlı dokunmatik ekran gösterimi mi olduğu belli değil. Hangisi doğru olursa olsun, ITO’ya göre grafenin en önemli avantajı, esnek ekranlarla daha uyumlu olmasıdır.
Grafen bazlı bir fotodetektör, foton akısını ölçerek çalışır. Emilen fotonların enerjisini elektrik akımına dönüştürerek bunu ölçer. Grafen bazlı fotodetektörler, grup IV ve III-V yarı iletkenlerine dayanan geleneksel dedektörlerden çok daha geniş çalışma dalga boyu aralığına sahiptir. Ek olarak, grafen diğer malzemeler üzerinde üstün taşıyıcı hareketliliğine sahiptir, yani tepki süresi diğer fotodetektörlerde görülenden çok daha hızlıdır, bu da ultra hızlı optik sensörlere dönüşmelidir.
Manyetik Alan Sensörleri
Başlangıçta, grafenin manyetik alan sensörü uygulamaları için uygun bir seçim olmayacak gibi görünüyor. Tipik bir InAs sensörü için oda sıcaklığı Hall katsayısı, grafen bazlı olandan çok daha iyidir, ancak grafenin sadece 0,34 nm kalınlığında olduğu açıkken, InAs 12 nm kalınlığında olduğu için, çekici olduğu açıktır. InAs’a kıyasla salon etkisi direnci. Ek olarak, grafen, Hall etkisi algılamasında bazı avantajlar sağlayan tipik iki boyutlu elektron gazı cihazlarının aksine ek katmanlar altında gizlenmek zorunda değildir.
Son zamanlarda yapılan bazı çalışmalar bu konunun bir dereceye kadar üstesinden gelebilmiş olsa da, grafen bazlı manyetik alan sensörleri, grafendeki bu manyetorezistans etkisine hakim olan oda sıcaklığında elektronların termal uyarımlarından muzdarip olmuştur.
Mekanik Sensörler
Mekanik sensörler , fiziksel özelliklerde meydana gelen değişiklikleri tespit eder, örneğin, malzemeyi etkileyen fiziksel deformasyonu algılayarak malzemeye ne zaman baskı uygulandığını tespit eder. Mekanik sensörler ayrıca rezonans frekansındaki bir değişikliği tespit edebildiği gibi kütle, kuvvet, basınç, gerinim, hız, hızlanma ve ağırlığı da ölçebilir.
Araştırmacılar daha önce grafenin gerinim ve basınç sensörleri olarak başarılı bir şekilde kullanılabileceğini göstermiştir. Grafen bazlı gerinim ve basınç sensörlerinde, grafen, gerinim ve basınç da dahil olmak üzere fiziksel sinyalleri algılamak için aktif bir malzeme olarak kullanılır. Yüksek elektriksel iletkenlik seviyeleri nedeniyle grafen malzemeleri genellikle bir iletken tabaka veya grafen bazlı gerilim ve basınç sensörlerinin elektrotları olarak kullanılır.
Grafen esaslı gerinim ve basınç sensörlerinin geleneksel iletim yöntemleri arasında direnç, kapasitans ve piezoelektriklik bulunmaktadır. Rezistif sensörler, harici kuvvetleri, elektrik sinyallerindeki değişiklikler yoluyla önceden oluşturulmuş bir algılama devresi tarafından doğrudan tespit edilebilen bir direnç varyasyonuna dönüştürür. Direnç değişimi yoluyla dirençli bir algılama sinyali alır ve direnç etkisi grafenin karakteristiğidir.
Ultrahigh hassasiyeti, grafenin yüksek iletkenliği ve uygun mekanik özellikleri nedeniyle grafen bazlı direnç sensörlerine verilir. Yaygın bir gerilim ve basınç sensörü tipi olarak, grafen bazlı dirençli sensörlerin avantajları çoktur ve şunları içerir:
- Geniş algılama aralığı
- Basit ekipman yapımı
- Sinyal testi.
Kapasitif sensörler
Kapasitif sensörler, mekanik uyaran sinyallerini yer değiştirme sinyallerine dönüştürerek farklı kuvvet formlarını algılayabilir. Yer değiştirme değişikliği kapasitansta bir değişikliğe neden olur ve grafenin yüksek iletkenlik seviyeleri, çekici mekanik özellikleri ve geniş spesifik yüzey alanı nedeniyle, kapasitif sensörlerde elektrik iletkeni ve elektrot için mükemmel bir seçim yapar.
Son derece hassas ve hızlı tepki veren piezoelektrik malzemeler, basıncı elektrik sinyallerine dönüştüren basınç sensörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Mekanik olarak deforme olduğunda, bir piezoelektrik malzeme zıt etkiyle de çalışan bir elektrik yükü üretir, böylece piezoelektrik malzemelere harici bir elektrik alanı uygulandığında, mekanik olarak deforme olurlar. Bunun üzerine yapılan çalışmalar grafenin piezoelektrik özellikleri ele almak üzere tasarlanabileceğini göstermiştir.
Araştırmalar ayrıca tek katmanlı grafenin negatif bir piezoelektrik etki gerçekleştirebileceğini ve iki katmanlı ve çok katmanlı grafenin pozitif bir piezoelektrik iletkenlik etkisi gerçekleştirebileceğini göstermiştir. Grafen bazlı piezoelektrik sensörler, ultra hızlı tepki süreleri ve ultra yüksek hassasiyetleri nedeniyle sürekli statik basınç sinyallerini ve dikey titreşimleri tespit etmek için kullanılmıştır.
Esnek Sensörler
Grafen bazlı malzemeler esnek ve gerilebilir gerinim ve basınç sensörleri, fotodetektörler, Hall sensörleri, elektrokimyasal sensörler ve biyosensörlerde potansiyel göstermiştir.
Grafen’in elektriksel özellikleri, doğal esnekliği nedeniyle mekanik gerilme uygulandığında bozulmaz. Sonuç olarak, grafen, çok gerilebilir ve esnek sensörler ve diğer elektronik cihazları yapmak için ideal bir malzeme olarak kabul edilmiştir.
Bu alanı daha da araştırarak, araştırma esnek gerilme sensörlerinin piezoresistif grafen, mikroakışkan sıvı metal ve gerilebilir 151 elastomerden yapılabileceğini göstermiştir. Grafen algılama elemanları ile esnek elektrik temasları sağlamak için, sıvı metal ara bağlantı malzemesi olarak mikroakışkan kanallara konuldu.
Giyilebilir elektronik cihazlarda esnek gerilim sensörleri için, özellikle spor ve egzersiz sırasında izleme amaçlı bir uygulama olabilir. Bu tip esnek bir gerinim sensörü, giyilebilir gerinim sensörlerine entegre edilen sıkıştırma özelliklerine sahip grafen bazlı bir kompozit fiber kullanan araştırmacılar tarafından zaten geliştirilmiştir. Sensör yapısı, çekirdek fiber olarak poliüretan ve iskele olarak polyester fiberlerden oluşan oldukça elastik bir iplikten yapılmıştır.