Grafen Kaplı Kimyasal Sensörlerin Şişme Davranışları ve Matematiksel Modelleme

Abstract

Bu çalışmada, grafen kaplı Langmuir-Blodgett (LB) ince filmlerin şişme davranışları Kuartz Kristal Mikrobalans (KKM) tekniği kullanılarak incelenmiştir. Bu filmler, bazı organik buharların (aseton, etanol ve metanol) difüzyon katsayı değerlerinin hesaplanması (Fick’in erken-zaman difüzyon kanunu kullanılarak) için oda sıcaklığında etkileşmeye bırakılmıştır. Difüzyon katsayı değerleri sırası ile aseton, etanol ve metanol için 20.43 x 10−16, 1.30 x 10−16 ve 0.91 x 10−16 cm2 s−1 olarak hesaplanmıştır. Benzer sıralama grafen kaplı KKM sensörünün tepkisi (frekans değişimi, Δf) için de aseton (342 Hz) > etanol (76 Hz) > metanol (51 Hz) olarak elde edilmiştir.

Keywords

• kuartz kristal mikrobalans
• grafen
• kimyasal sensör
• matematiksel modelleme

Mathematical Modelling and Swelling Behaviors of Graphene-coated Chemical Sensors

Abstract

In this work, the swelling behaviors of the graphene-coated Langmuir-Blodgett (LB) thin films are investigated by using Quartz Crystal Microbalance (QCM) technique. These films were exposed to several Volatile Organic Compounds (VOCs) (acetone, ethanol and methanol) at room temperature to calculate diffusion coefficients of these organic vapors by using the early-time Fick’s law of diffusion. The diffusion coefficients are calculated to be 20.43 x 10−16, 1.30 x 10−16 and 0.91 x 10−16 cm2 s−1 for acetone, ethanol and methanol, respectively. Similar ranking was obtained for the response of graphene-coated QCM sensor as a frequency shift (Δf); acetone (342 Hz) > ethanol (76 Hz) > methanol (51 Hz).

Keywords

• Quartz crystal microbalance
• graphene
• chemical sensor
• mathematical modelling

References

1. Botcha V.D, P.K. Narayanam, G. Singh, S.S. Talwar, R.S. Srinivasa, S.S. Major, (2014). Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 452, 65
2. Cai W, S. Jiang, S. Xu, Y.Li, J.Liu, C. Li, L. Zheng, L. Su, J. Xu, (2015).Opt. Laser Techno. 65, 1.
3. Capan I, C. Tarımcı, R. Capan, (2010). Sens. Actuators B: Chem. 144, 126.
4. Crank J, (1970). The Mathematics of Diffusion, Oxford University Press, London
5. Liu Q, Z. F. Liu, X. Y. Zhang, N. Zhang, L. Y. Yang, S. G. Yin, Y. S. Chen, (2008). Appl. Phys. Lett. 92, 223303
6. Quang V.V, V.N. Hung, L.A. Tuan, V.N. Phan, T. Q. Huy, N.V. Quy, (2014). Thin Solid Films 568, 6.
7. Sauerbrey G, Verwendung von schwingquarzen zur wägung dünner schichten und zur microwägung, (1959) Z. Phys. 155, 206-222.
8. Seger B, P. V. Kamat, (2009). J. Phys. Chem. C 113, 7990.

9. Yao Y, X. Chen, H. Guo, Z. Wu, (2011). Appl. Surf. Sci. 257, 7778.
10. Yao Y, X. Chen, X. Li, X. Chen, N. Li, (2014). Sens. Actuators B: Chem. 191, 779.
11. Zhang H, G. Grüner, Y. Zhao, (2013). J. Mater. Chem. B 1, 2542
12. Zhang Y, L. Du, Y. Lei, H. Zhao, (2014). Mater. Lett. 131, 288
13. Zhihua Y, Z. Liang, S. Kaixin, H. Weiwei, (2012). Procedia Eng. 29, 2448.
14. Zhu Z, Min Su, L. Ma, L. Ma, D. Liu, Z. Wang, (2013). Talanta 117, 449.