ویژگی‌ها و فواید حسگرهای گرافنی
حسگرهای شیمیایی را می‌توان به حسگرهای گازی و الکتروشیمیایی تقسیم کرد که همواره برای برآورده کردن نیازهای تولید و فرآوری مواد شیمیایی و همچنین جذب گسترده مواد شیمیایی در طیف وسیعی از صنایع، از جمله مواد غذایی، زیست‌پزشکی، داروسازی، ایمنی صنعتی، حفاظت از محیط‌زیست و امنیت توسعه یافته است.
حسگرهای گازی
یک حسگر مبتنی بر گرافن برای تشخیص مولکول‌های گاز با اندازه‌گیری تغییرات رسانایی الکتریکی ماده کار می‌کند. حسگرهای گازی مبتنی بر گرافن با جذب مولکول‌های گاز بر روی سطح گرافن (که به عنوان دهنده یا گیرنده الکترون عمل می‌کنند) کار می‌کند.
مطالعات نشان داده است که می‌توان با استفاده از گرافن، اندازه‌گیری تغییرات رسانایی را در مقیاس کوانتومی انجام داد. با توجه به این نکته، امکان سوق دادن این حسگرها به سطح بهینه خود برای تشخیص تک مولکول‌های گازی محتمل به نظر می‌رسد. این حساسیت نهایی را می‌توان با چندین عامل مرتبط دانست؛ از جمله دمایی که در آن اندازه‌گیری‌ها انجام می‌شوند و همچنین سرعت جریان گاز مورد نظر.
گرافن به دلیل داشتن نویز بسیار کم در این زمینه از مزیت برخوردار است. به همین دلیل، حتی در صورتی که هیچ حاملی در کار نباشد و چند الکترون اضافی بیشتر وجود نداشته باشند، غلظت حامل گرافن می‌تواند به طور قابل‌توجهی تغییر کند. علاوه بر این مزیت، گرافن در حسگرهای گازی امکان ایجاد دستگاه‌های چهار پروبی بر روی مونوکریستال‌ها را فراهم می‌نماید. این امر تضمین می‌کند که هرگونه تاثیر مقاومت در برابر تماس در اثر محدود کردن حساسیت از بین می‌رود.
حسگرهای الکتروشیمیایی
همچنین نشان داده شده‌است که گرافن، حسگر شیمیایی موثری در پیکربندی الکترولیت گیت‌دار (electrolyte-gated) است. عایق‌های گیت بالای مبتنی بر گرافن می‌توانند به اندازه 1 تا 5 نانومتر در الکترولیتی با غلظت چند میلی‌مولار نازک شوند. حتی در بهترین حالت، ترانزیستورهای اثر میدان (FET) گرافن گیت بالا با لایه‌نشانی اتمی (ALD) با این سطوح تطابق ندارد.
در حسگرهای الکتروشیمیایی DNA، ماده الکترود برای حسگرهای زیستی اکسیداز (مانند حسگرهای گلوکز و به ویژه در تشخیص یون فلزات سنگین در آنالیز محیطی)، حسگرهای الکتروشیمیایی بر پایه گرافن توسعه‌یافته‌اند. تحقیقات نشان داده‌اند که گرافن در سه حوزه بهتر از نانولوله‌های کربنی عمل می‌کند؛ الکتروشیمی مستقیم آنزیم، تشخیص الکتروشیمیایی زیست مولکول‌های کوچک و تجزیه الکتریکی. علی‌رغم موفقیت، هنوز امکان تولید گرافن مورد نیاز برای این کاربردها به صورت انبوه وجود ندارد، هر چند که این امر به سرعت در حال تغییر است.
حسگرهای فوتوالکتریک
بازار حسگرهای فوتوالکتریک، در اصل همان اکسید قلع ایندیم (ITO) است که در رساناهای شفاف جا‌گذاری می‌شود. رسانایی الکتریکی زیاد و شفافیت تقریبی گرافن آن را به گزینه‌ای جذاب برای الکترودهای شفاف در سلول‌های فتوولتائیک و حسگرهای هادی حساس نسبت به نور (photoconductive) تبدیل کرده است.
شرکت سامسونگ پیش از این یک صفحه نمایش لمسی را تولید کرده بود که در آن از گرافن به جای ITO استفاده می‌شد، با این حال روشن نیست آیا این محصول یک سرمایه‌گذاری مخاطره‌پذیر تجاری است یا صرفا چشم‌اندازی از صفحه نمایش لمسی گرافنی به عنوان امکانی برای آینده. هر کدام ممکن است حقیقت داشته باشد، اما مزیت اصلی گرافن نسبت به ITO این است که با صفحه نمایش‌های انعطاف‌پذیر سازگاری بیشتری دارد.
یک آشکارساز نوری (photodetector) گرافنی با اندازه‌گیری شار فوتون کار می‌کند. این آشکارساز با تبدیل انرژی فوتون‌های جذب‌شده به جریان الکتریکی، اندازه‌گیری را انجام می‌دهد. آشکارسازهای نوری گرافنی محدوده طول موج عملیاتی بسیار وسیع‌تری نسبت به آشکارسازهای معمولی دارند که بر اساس نیمه هادی‌های گروه IV و III-V ساخته شده‌اند. علاوه بر این، گرافن دارای تحرک حامل بالاتری نسبت به مواد دیگر است، به این معنی که زمان پاسخ آن بسیار سریع‌تر از آن چیزی است که در سایر آشکارسازهای نوری دیده می‌شود که باید به حسگرهای نوری فوق سریع (ultrafast) تعبیر شود.
حسگرهای میدان مغناطیسی
در نگاه اول به نظر می‌رسد گرافن انتخاب مناسبی برای استفاده در حسگرهای میدان مغناطیسی نیست. ضریب هال در دمای اتاق برای یک حسگر ایندیم آرسنید (InAs) معمولی به مراتب بهتر از یک حسگر بر پایه گرافن است، اما هنگامی که در نظر بگیریم گرافن فقط ۰.۳۴ نانومتر ضخامت دارد، در حالی که InAs ضخامتی برابر با ۱۲ نانومتر دارد، مشخص می‌شود که استفاده از گرافن از نظر مقاومت در برابر اثر هال در مقایسه با InAs جالب توجه است. علاوه بر این، بر خلاف دستگاه‌های گاز الکترون دو بعدی (2DEG)، لازم نیست گرافن در لایه‌های اضافی پنهان شود، که این امر مزایایی در سنجش اثر هال به همراه دارد.
در حالی که برخی مطالعات اخیر توانسته است تا حدودی بر این مسئله فائق آید، اما حسگرهای میدان مغناطیسی مبتنی بر گرافن از برانگیختگی حرارتی الکترون‌ها در دمای اتاق برای غلبه بر این اثر مقاومت مغناطیسی (magnetoresistance) در گرافن لطمه خورده است.
حسگرهای مکانیکی
حسگرهای مکانیکی می‌توانند تغییرات ویژگی‌های فیزیکی را تشخیص دهند؛ به عنوان مثال، از طریق سنجش تغییر شکل فیزیکی ایجاد شده در مواد می‌توان زمانی که تنش روی مواد اعمال شده است را تشخیص داد. حسگرهای مکانیکی همپنین قادر به تشخیص تغییر در فرکانس رزونانس و اندازه‌گیری جرم، نیرو، فشار، کرنش، سرعت، شتاب و وزن هستند.
پژوهشگران پیش از این نشان داده‌اند که گرافن را می‌توان با موفقیت به عنوان حسگرهای کرنش و فشار مورد استفاده قرار داد. گرافن در حسگرهای کرنش و فشار مبتنی بر گرافن به عنوان ماده‌ای فعال برای سنجش سیگنال‌های فیزیکی از جمله کرنش و فشار استفاده می‌شود. مواد گرافنی به دلیل سطح بالای رسانایی الکتریکی، اغلب به عنوان الکترود و یا لایه رسانا در حسگرهای کرنش و فشار گرافنی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
روش‌های مرسوم انتقال از طریق حسگرهای کرنش و فشار گرافنی، شامل مقاومتی، خازنی و پیزوالکتریک است. حسگرهای مقاومتی، نیروهای خارجی را به نوعی مقاومت تبدیل می‌کنند که می‌تواند به طور مستقیم توسط یک مدار تشخیص از پیش ساخته شده از طریق تغییرات در سیگنال‌های الکتریکی تشخیص داده شود. این سیگنال، سیگنال سنجش مقاومتی را از طریق تغییر مقاومت بدست می‌آورد و اثر مقاومتی آن را به گرافن انتقال می‌دهد.
به دلیل رسانایی زیاد و خواص مکانیکی مطلوب گرافن، واژه حساسیت فوق‌العاده زیاد (Ultrahigh sensitivity) به حسگرهای مقاومتی مبتنی بر گرافن اعطا شده‌است. مزایای حسگرهای مقاومتی بر پایه گرافن، به عنوان نوع متداولی از حسگرهای کرنش و فشار، بسیار زیاد و شامل موارد زیر است؛
- دامنه تشخیص گسترده
- تجهیزات ساخت ساده
- امکان آزمایش سیگنال
حسگرهای خازنی می‌توانند با تبدیل سیگنال‌های محرک مکانیکی به سیگنال‌های جابجایی، اشکال مختلفی از نیرو را تشخیص دهند. تغییر جابجایی منجر به تغییر ظرفیت خازنی می‌شود و سطح بالای رسانایی، خواص مکانیکی جذاب و مساحت سطح ویژه بزرگ گرافن، باعث می‌شود که آن یک انتخاب عالی برای رسانای الکتریکی و الکترود در حسگرهای خازنی باشد.
مواد پیزوالکتریک با حساسیت زیاد و واکنش سریع به طور گسترده در حسگرهای فشار (که فشار را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورت تغییر شکل مکانیکی، ماده پیزوالکتریک بار الکتریکی تولید می‌کند که این فرآیند به صورت معکوس نیز رخ می‌دهد، به طوری که هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی بر مواد پیزوالکتریک اعمال می‌شود، آن‌ها بصورت مکانیکی تغییر شکل می‌دهند. مطالعات انجام شده در این زمینه نشان می‌دهد که می‌توان گرافن را به منظور ایجاد خواص پیزوالکتریک مهندسی کرد.
تحقیقات همچنین نشان داده‌اند که گرافن تک لایه می‌تواند اثر پیزوالکتریک منفی را تشخیص دهد و گرافن دو لایه و چند لایه می‌توانند اثر رسانایی پیزوالکتریک مثبت را تشخیص دهند. حسگرهای پیزوالکتریک مبتنی بر گرافن به دلیل زمان واکنش فوق سریع و حساسیت فوق‌العاده زیاد برای تشخیص سیگنال‌های فشار استاتیک پیوسته و ارتعاشات عمود مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
حسگرهای انعطاف‌پذیر
مواد مبتنی بر گرافن پتانسیل بالایی برای استفاده در حسگرهای فشار و کرنش قابل‌کشش (stretchable) و انعطاف‌پذیر، آشکارسازهای نوری، حسگرهای هال، حسگرهای الکتروشیمیایی و حسگرهای زیستی نشان داده‌اند.
خواص الکتریکی گرافن هنگامی که کرنش مکانیکی اعمال می‌شود، به دلیل انعطاف‌پذیری ذاتی آن تنزل پیدا نمی‌کند. در نتیجه، گرافن به عنوان ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت حسگرهای قابل‌کشش و انعطاف‌پذیر و دیگر دستگاه‌های الکترونیکی شناخته می‌شود.
تحقیقات نشان داده‌است که حسگرهای کرنش انعطاف‌پذیر می‌توانند از گرافن پیزومقاومتی، فلز مایع میکروسیال و ۱۵۱ الاستومر قابل‌کشش ساخته شوند. به منظور دستیابی به اتصال‌های الکتریکی انعطاف‌پذیر با عناصر سنجش گرافن، فلز مایع به عنوان ماده اتصال‌دهنده به کانال‌های میکروسیالی وارد می‌شود.
می توان از کاربردهای حسگرهای کرنش انعطاف‌پذیر در وسایل الکترونیک پوشیدنی به خصوص برای پایش و نظارت در طول ورزش و تمرین استفاده کرد. محققان پیش از این، یک حسگر کرنش انعطاف‌پذیر از این نوع را ایجاد کرده‌اند که در آن از فیبر کامپوزیت مبتنی بر گرافن با ویژگی‌های فشرده‌سازی استفاده می‌شود، که در حسگرهای کرنش پوشیدنی تلفیق شده شده‌است. ساختار حسگر از الیاف بسیار کشسان متشکل از پلی‌اورتان به عنوان الیاف هسته و الیاف پلی‌استر به عنوان داربست ساخته شده‌است.