CVD石墨烯在传感器上的潜力

石墨烯场效应晶体管（GFET）与受体功能化后的示意图（顶部）以及与分析物相互作用时（底部）。

是什么让CVD石墨烯适用于传感器？

CVD石墨烯是原子薄的碳原子层，排列成六边形晶格结构。作为一种二维碳纳米材料，CVD石墨烯具有一系列独特的特性，使其能够作为广泛的行业和应用的使能材料。碳和硅是元素周期表上的邻居并非巧合，因为CVD石墨烯作为使能材料的作用可以与硅相提并论。

CVD石墨烯在传感器等应用中作为使能材料享有盛誉。CVD石墨烯是一种二维原子薄纳米材料，具有极高的表面积体积比，有利于靶子和刺激物与CVD石墨烯表面相互作用。此外，CVD石墨烯是一种具有高场效应迁移率的半金属，可以对外部刺激或试剂具有高度的灵敏度。

CVD 石墨烯应变传感器

应变传感器的工作原理主要依赖于应变传感元件的电气特性在施加的压力或力下的变化。应变传感元件的电阻率响应施加的机械应变的变化称为压阻效应。应变传感器是全球使用最多的传感元件之一，广泛应用于各种行业和应用。

CVD石墨烯具有高拉伸性（杨氏模量~1 TPa），适用于应变传感应用。CVD石墨烯固有的拉伸性决定了它对因弯曲、压缩或拉伸材料而施加的力的耐受性。CVD石墨烯还具有电阻与应变的线性变化，这也使其成为压阻式应变传感应用的良好候选者[1]。

应变传感用于可穿戴设备和物理传感器（如加速度计）以测量加速度 [1]。可穿戴设备的使用在医疗保健监测应用中很普遍。另一方面，物理传感器可用于汽车应用、导航系统、机器人和军事应用中的稳定性控制和碰撞检测。

CVD 石墨烯气体传感器

化学电阻器是最常见的气体传感器，它通过改变传感层的电阻来检测气态分子的存在，以响应被吸附的气态分子。场效应晶体管（FET）也用于气体传感器，其性能取决于其开关电流比[2]。CVD石墨烯气体传感器的工作原理是响应目标气态分子的吸附而改变表面电导率，从而遵循与化学电阻器类似的工作原理[2]。

与传统气体传感器相比，CVD石墨烯气体传感器可以以非常低的功率工作。这是因为CVD石墨烯的高电子迁移率和低噪声水平，这使得传感器能够在低电压下工作。因此，CVD石墨烯气体传感器可以与低功耗电子系统集成，使其成为便携式和遥感应用的理想选择。

此外，CVD石墨烯气体传感器可以快速检测气体浓度的变化，从而具有很高的响应时间。CVD石墨烯的高表面积体积比使气体分子能够快速扩散并与CVD石墨烯表面相互作用，从而实现快速响应时间。这在空气质量监测等需要精确瞬时测量的应用中尤为重要。CVD石墨烯气体传感器已经能够以高灵敏度和选择性检测NO2、CO、NH3和CH4等气体。

CVD石墨烯生物传感器

CVD石墨烯生物传感器的应用

CVD石墨烯具有生物相容性，这意味着它不会干扰生物系统，并且在与生物制剂相互作用时会保持惰性。此外，CVD石墨烯可以通过在其表面添加特定的官能化基团来轻松官能化，随后与生物靶标选择性地相互作用。CVD石墨烯的功能化潜力几乎是无限的，这为CVD石墨烯生物传感器的发展铺平了道路，可用于检测各种生物制剂，毒素和分子。此外，CVD石墨烯生物传感器平台还可以提供多路复用功能，同时保持其高灵敏度。对平行测试和目标分析物的大样品量的需求大大降低，CVD石墨烯生物传感器的多重检测能力和高灵敏度。

CVD石墨烯通常用于生物传感器应用的场效应晶体管（FET）。FET生物传感器由充当通道的CVD石墨烯表面和三个电极组成[3]。CVD石墨烯通道通常通过生物分子受体（抗体、适配体、酶、DNA或其他生物识别元件）进行功能化，以将FET转化为功能齐全的生物传感器[3]。

CVD石墨烯生物传感器平台可以检测各种分析物——DNA、RNA、葡萄糖、抗原、病毒（COVID-19、流感等）。目前有几家公司正在使用石墨烯作为基于FET的生物传感器。例如，Cardea Bio的BPU™是一种基于石墨烯的生物传感器，已成功将完成等温滴定量热（ITC）测量所需的时间从14天减少到1天。这代表了药物发现领域的突破，因为ITC是用于设计和开发新药的极其重要的工具。

CVD石墨烯生物传感器是医疗和生物制药行业数字化过程中缺失的一环。

CVD石墨烯传感器的规模化和商业化

上面讨论的传感器只占CVD石墨烯可以帮助实现的整个传感器市场的一小部分。CVD石墨烯近乎无限的功能化潜力，结合其独特的特性，使其能够应用于各种类型的传感器。可以使用CVD石墨烯开发的其他传感器包括：

• 温度传感器 – 由于其高导热性和温度依赖性电阻，CVD石墨烯可用于温度传感器，以高精度和灵敏度测量温度变化，用于工业过程控制、环境监测和医疗应用。

• 湿度传感器 – 由于表面电阻随湿度变化而快速变化，并且其表面积体积比大，CVD石墨烯也可用于农业，食品加工和HVAC系统应用的高精度和灵敏度的湿度传感器。

• 压力传感器 – 由于压力诱导变形引起的表面电阻变化，CVD石墨烯可用于机器人，医疗设备和航空航天应用的压力传感器，具有高精度和灵敏度。

• 磁场传感器 – CVD石墨烯的高场效应迁移率和低噪声水平使其成为磁场传感器的极佳材料。在与磁场相互作用时，CVD石墨烯的电性能会发生变化，从而能够开发具有高灵敏度和选择性的磁场传感器，用于医学成像和导航应用。

• 光学传感器 – CVD石墨烯具有优异的光学性能，如高透射率、低反射率和高吸收率，可用于开发光学传感器。在与光相互作用时，CVD石墨烯的电阻会发生变化，从而能够开发具有高灵敏度和选择性的光学传感器，用于环境监测和食品安全应用。

通用石墨烯具有在各种聚合物上无缝生长和应用石墨烯的能力，这些聚合物是多种传感器应用中最具成本效益的基板。通用石墨烯采用卷对卷化学气相沉积（CVD）生产工艺，能够以可大规模和可重复的高质量经济高效地生产工业规模的CVD石墨烯，因此通用石墨烯完全有能力为您的传感器应用量身定做，价格合理。

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引用

[1] Yapici, M.K. (2022, February 01). Graphene in Strain Sensing Applications.
In Encyclopedia. https://encyclopedia.pub/entry/19056

[2] Yuan, W., & Shi, G. (2013). Graphene-based gas sensors.
Journal of Materials Chemistry A, 1(35), 10078-10091.

[3] Andronescu, C., & Schuhmann, W. (2017). Graphene-based field effect transistors as biosensors. Current Opinion in Electrochemistry, 3(1), 11-17.