CVD-grafenbaserade sensorer/IR-fotodetektorer med stor yta

Exempel på skivor med grafenbaserade sensorkomponenter.

(a) Närbild på grafenbaserad sensor från mittendelen av skivorna i figur 1 och (b) detalj med de integrerade TLM-strukturerna (”Transmission Line Method”) som används för att utvärdera kontaktresistansen för komponenten.

Exempel på skivor med grafenbaserade sensorkomponenter.

(a) Närbild på grafenbaserad sensor från mittendelen av skivorna i figur 1 och (b) detalj med de integrerade TLM-strukturerna (”Transmission Line Method”) som används för att utvärdera kontaktresistansen för komponenten.

Resultat

Kostnadseffektiva sensorer baserade på CVD-grafen för droger demonstrerades framgångsrikt genom detektion av amfetaminsalter i vatten och buffertlösning. IR-detektorer baserade på plasmoniska grafenstrukturer som designats med hjälp av simuleringar undersöktes också. Nanostrukturerna analyserades med olika strukturella, elektriska och optiska mätningar (AFM, SEM, IV, FTIR och Raman-spektroskopi).

Det övergripande målet för projektet var att skapa en plattform för processering av grafenkomponenter för att främja forskning och innovation inom de valda tillämpningsområdena forensiska sensorer och IR-detektorer för industriella miljöer. Amfetaminsensorer tillverkades av kostnadseffektivt CVD-grafen på kiseldioxid (SiO2) i skivskala och presenterades på Nordic Nanolab User Meeting och IEEE NMDC 2019. Arbete gjordes även på plasmoniska grafenstrukturer för IR-detektion, men ytterligare forskning behövs för att kunna framställa de stora ytor som krävs för att nå önskade våglängder och respons.

Processmetoderna för CVD-grafen har utvecklats för att möjliggöra tillverkning av kostnadseffektiva sensorer och IR-detektorer. Processprotokoll, design/simulerings-rutiner och mätuppställningar har skapats för tillverkning och analys av grafenkomponenterna. Projektet lyckades uppvisa en strömförändring av storleksordningen hundratals nA per mg/ml analyt-koncentration, men ytterligare arbete behövs för att använda tekniken i kommersiella tillämpningar.

De huvudsakliga lärdomarna från projektet bestod i en djupare insikt och kunskap om processutveckling och komponenttillverkning för grafen. Detta kommer utgöra en viktig bas för ytterligare forskning och utveckling inom området. Mycket arbete återstår fortfarande för att ta sensortekniken vidare till den tillförlitlighet och funktionalitet som krävs för kommersiella produkter. Det är rimligt att tro att tidshorisonten för färdiga produkter baserade på tekniken ligger 5–10år bort. Det nuvarande konsortiet som består av problemägare, utvecklare och framtida produktägare är starka nog att fortsätta utvecklingen inom detta område inom ramen för framtida projekt.

Abstract in English

Large area CVD graphene-based sensors/IR-photodetectors

Results
Cost effective CVD graphene-based sensors for illicit drug detection were successfully demonstrated by sensing amphetamine salts in water or buffer solutions. Plasmonic IR detectors were also attempted based on designed/simulated periodic nano ribbons ornanohole arrays on graphene. These nano structures were characterizedusing various structural, electrical and optical measurements by optical microscope, AFM, SEM, IV,FTIR and Raman spectroscopy.

The overall goal of this project was to create a graphene device processing platform to promote future research and innovations within the applications forensic sensors and IR detectors forindustrial environments. Amphetamine sensors were successfully fabricated by cost-effectiv eCVD graphene on SiO2 in wafer scale and presented at Nordic Nanolab User Meeting and IEEENMDC2019. Graphene plasmonic structures for IR detection were also processed and characterized, but further research is needed to form the large areas necessary for the wanted response at mid-IR wavelengths.

CVD graphene device process methods have been developed to produce the targeted cost-effectivesensors/IR-detectors. Process protocols, design/simulation routines and characterization setups have been established for fabricationand analysis of the graphenedevices. The project was able to show a current change in the order of hundreds of nA per mg/ml analyte concentration, but further work is required to use these graphene devices in commercial applications.

The main learning from this project was a deeper insight into graphene process development and related device fabrication. This will be an important basis for further development in this area. Looking at the distance to the market for sensors based on this technology, we still have a considerable amount of work to do before reliable and fully functionalsolutions can be offered commercially. It is reasonable to expect a time span of 5–10 years before this can be a reality. The current consortium consisting of problem owners, developers and future product owners is strong enough to continue the development in future projects.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: Senseair, KTH, RISE Acreo, Swedish National Forensic Centre och Pamitus.

Projektledare: SenseAir

Bidrag: 1 120 000 kr

Projektets löptid: 20 maj 2018 - 20 nov. 2019

Relaterade projekt:
IR-detektorer baserade på CVD-grafen

Relaterade styrkeområden: